CN104155229A - 便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，包括供水单元和测量单元，供水单元包括储水桶、升降平台和稳流箱，储水桶设置为马氏瓶的结构，用于提供恒定的水头；测量单元包括测筒和测压排，测筒上端测筒入水口的下部设有测压孔，多个测压孔呈螺旋扇状分布在测筒的外侧，测压孔内插设有毕托管插头；测筒的底部设置有刀口；测筒入水口与稳流箱底端的出水口相通，毕托管插头通过PU管与测压排相通。本发明同时具备定水头和降水头测量的实验功能，可以对土壤表层土壤的渗透系数进行分层测定，有效地减少土壤扰动对原有结构及渗透特性的破坏，可以适用于不同渗透特性的土壤，且便于携带，操作便捷，尤其适用于野外土壤原位渗透实验。

Description

便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置

技术领域

本发明涉及一种土壤渗透参数的测量装置，具体地涉及一种便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，尤其适用于野外土壤原位渗透实验。

背景技术

渗透系数是土壤基本特性参数之一，是研究土壤中地下水运动及溶质迁移规律必不可少的关键参数。渗透系数取值的准确性直接决定地下水流场和溶质迁移模拟预测的可靠性。为避免土壤扰动对渗透系数测量的干扰，原位测定土壤入渗特性成为研究土壤水动力过程和溶质迁移规律的关键技术，因此需要不断改进和更新现有测量技术手段和测量方法以提高渗透系数测量的准确度。

目前，土壤渗透特性试验主要有室内试验和野外原位实验两种形式。室内试验通常采用原位取土、实验装填的方法，以击实等方式使实验土体接近现场密实度，模拟原位土壤渗透特性，其主要是测试方便、测量手段较为先进，但通过再密实手段很难达到原位土体的固结效果，因此获得的渗透系数与现场土体的渗透特性存在一定差异。原位测试避免了对土体固有结构的扰动，更能真实的反应土壤的渗透特征。

土壤渗透性原位测试方法包括注水实验和抽水实验两种，其中抽水实验针对地下水位以下的深层土体，通过对抽水井涌水量和井水位的变化关系获得土体渗透参数，需要借助打井和抽水设备才能完成。注水实验适用于浅层土壤，通过入渗水量和土壤压力水头的关系确定土壤渗透参数。土壤原位注水实验包括定水头实验和降水头实验两种，其中定水头实验耗水量大，适用于渗透性相对较小的土体，而降水头实验适用于渗透性相对较大的土体。在野外现场注水实验中，由于土壤渗透性存在很大差异，有时很难确定哪种方法更适用，而同一批测量任务也可能需要同时使用定水头和降水头两种方法。采用定水头和降水头方法获得渗透系数的测量值可能存在一定的差异，而定水头实验测量结果则更为接近现实情况(霍丽娟，李一菲，钱天伟.定水头法和降水头法测定黄土的饱和导水率[J].太原科技大学学报,2010,03):256-9)。

目前，土壤表层原位实验大多采用降水头实验装置(陈立宏.变水头法测量渗透系数装置,CN103344542A[P/OL].2013-10-09；陈亮,王保田,黄德文,等.一种变水头分段渗透系数测量设备及测量方法,CN103091229A[P/OL].2013-05-08)，而定水头实验装置(沈扬,闫俊,杨星,等.可拆卸常水头渗透系数测定仪,CN102128775A[P/OL].2011-07-20])主要应用在室内实验，尽管有同时具备定水头和降水头实验的装置，但不适用于野外原位观测(王罗春,陈飞,陈冠翰,等.一种测土壤渗透系数的装置,CN103411871A[P/OL].2013-11-27)。因此，开发一种同时具备定水头和降水头实验功能的原位测量装置已经成为野外土壤表层渗透实验函待解决的关键问题，而设备的便携性和操作便捷性也是土壤原位测试需要解决的重要问题。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，同时具备定水头和降水头测量的实验功能，可以对土壤表层土壤的渗透系数进行分层测定，有效地减少土壤扰动对原有结构及渗透特性的破坏，可以适用于不同渗透特性的土壤，且便于携带，操作便捷，尤其适用于野外土壤原位渗透实验。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提供一种便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，包括供水单元和测量单元：

所述供水单元包括储水桶、升降平台和稳流箱，所述储水桶下端开口并设置在所述升降平台上，所述开口用橡胶塞密封，在橡胶塞中间插设导气管和出水管，所述导气管插入的深度大于所述出水管插入的深度，所述导气管的另一端暴露在大气中，该端的端口高度与储水桶上端的高度相等；所述出水管的另一端与所述稳流箱的进水口相通；所述稳流箱的进水口处设置有消能仓；

所述测量单元包括测筒筒和测压排，其中，所述测筒侧壁设置有测筒筒入水管；在测筒入水管的下方设有一组测压孔，所述测压孔呈螺旋扇状分布在测筒的侧壁，所述测压孔内插设有毕托管插头；所述测筒的底部设置有刀口；所述测筒入水管与所述稳流箱底端的出水口相通，所述毕托管插头通过PU管与所述测压排相通。

测筒与稳流箱和测压排连接，实验时由稳流箱提供恒定水头，由测压排测量压力水头。

具体地，所述的升降平台呈四面体框架结构，包括可拆卸支架和活动平台，其中，所述可拆卸支架底部设置有一排用于维持支架稳定性的桁架，可拆卸支架上端的支撑杆上每间隔3～5cm设置有固定孔，所述活动平台通过螺栓与所述固定孔固定连接。

所述的稳流箱由PP板焊接而成，稳流箱的进水口设置于稳流箱的底部并与所述消能仓连通，所述消能仓内填充有砾石，用于保持水头稳定性、减少水流动能。

所述毕托管插头包括依次套接的筛管、螺纹管和PU短管，所述筛管表面均匀分布有直径为2mm的进水孔，筛管外部套设有滤网；所述螺纹管与筛管的连接处设置有止水垫，所述止水垫通过螺帽压紧止水；所述PU短管的一端与螺纹管通过防脱卡扣进行固定连接，PU短管另一端设置有气动PU管接头；所述毕托管插头通过气动PU管接头将PU管与测压排连接；所述的毕托管插头的筛管部分插入所述测量孔。

所述测筒入水管位于测筒内的部分的顶端设置有分流罩，分流罩高于测筒内最上端的测量孔2～3cm，分流罩下方铺设1～2cm厚的砂砾石垫层；所述分流罩由亚克力管焊接而成，顶部设为筛管。

所述测压孔的个数为5～8个。

所述的测压排包括测压管、亚克力板、软尺和测压排挂架，其中，所述测压管为PU管，测压管呈排状固定在所述亚克力板的一侧；所述亚克力板与测压管之间设置有软尺用于测量水头；所述亚克力板的另一侧设置有第一挂钩；所述测压排挂架上端设置有与所述第一挂钩相配合的第二挂钩。

所述的储水桶与稳流箱之间、稳流箱与测筒之间通过连接软管连接，且所述连接软管上设置有止水夹。

本发明进一步提出了上述装置在土壤表层原位垂向渗透实验中的应用，具体地：

当用于定水头实验时，包括如下步骤：

(A1)选择测点，将测筒直接垂直压入土壤表层，或在测筒顶部加顶盖用铁锤均匀用力且竖直向下敲击将测筒砸入土壤表层，直到位于测筒最顶端的测压孔与土柱表面(即地面线)齐平；

(A2)将测筒侧壁设有测压孔一侧的土体挖除，露出所有测压孔；

(A3)清理测压孔；

(A4)在测压孔内安装毕托管插头，然后对接PU管；在测筒入水管顶部安装分流罩，并将分流罩的顶部设置成筛管，然后在土柱表面铺设砂砾石垫层，砂砾石的直径为2～3mm；

(A5)安装升降平台和测压排支架，将测压排挂在测压排支架上；在地表放置稳流箱，稳流箱内注水到h+Δh水深刻度线，在消能仓内填充砂砾石，砂砾石的直径为5～10mm；

(A6)将储水桶的出水管穿过插入橡胶塞内，调节储水桶的导气管穿过橡胶塞插入储水桶内的深度，使导气管插入桶内深度高出出水管插入桶内深度，高出部分记为h；调节活动平台高度，使储水桶的出水管桶内端口高度比稳流箱进水口高度高出约Δh；

(A7)将储水桶装满水，瓶口向下放在活动平台上；连接储水桶和稳流箱，打开储水桶和稳流箱之间的止水夹，微调活动平台高度，使稳流箱内维持恒定水头h+Δh；

(A8)连接稳流箱出水口与测筒进水口，打开稳流箱与测筒之间的止水夹，稳定后测筒内维持恒定水头h+Δh；

(A9)测压管插头出水后，将PU管内气体排出，利用气动接头对接测压排上的测压管；

(A10)每隔2分钟记录每根测压管读数和储水桶水位，如果连续3次读数相同，则认为测压管水头基本稳定；

(A11)在测压管水头稳定后连续记录超过5～10次，或储水桶水位与桶内导气管端口齐平时，停止实验；

(A12)整理实验数据，以测压管水头稳定后数据根据公式(1)计算土体渗透系数，取平均值作为最终测量值：

$K_s=\frac{{{\mathrm{\πd}}_c}^2{\mathrm{\Δh}}_{c}L}{4A(h_2-h_1)}---\left(1\right)$

其中，K_s为土壤渗透系数，d_c和Δh_c分别为储水桶的直径和每2分钟储水桶水位变化值，L为测量段土柱的长度，A为土柱截面积，h₁和h₂分别为测量段上、下测压管的压力水头；

当用于降水头实验时，包括如下步骤：

(B1)～(B9)与上述定水头实验中的步骤(A1)～(A9)完全相同；

(B10)关闭稳流箱出水口止水夹，每隔2分钟记录测压管读数，待测筒内水位降到保护层表面后，完成本组实验；

(B11)打开稳流箱出水口止水夹，测筒内水位恢复恒定水位h+Δh cm；

(B12)重复步骤(B10)～(B11)，再进行2～3组实验；

(B13)整理实验数据，根据公式(2)计算每组实验土体渗透系数，取平均值作为最终测量值；

$K_s=\frac{\mathrm{aL}}{A(t_2-t_1)}\ln \left(\frac{\mathrm{\Δh}\left(t_1\right)}{\mathrm{\Δh}\left(t_2\right)}\right)---\left(2\right)$

其中，a为测筒内截面面积，L为两个测压管之间土柱的长度，A为土柱截面积，t₁和t₂分别为每组实验测量初始时刻和结束时刻，Δh(t₁)和Δh(t₂)分别为每组实验测量初始时刻和结束时刻测量段土体上、下测压管水头差。

其中，h和h+Δh的取值范围如下：0<h+Δh≤300mm，0<h≤50mm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)通过将饮用水桶改造为马氏瓶，可以提供恒定的水压头且质量轻，方便携带，克服了传统的马氏瓶水容量小、质量重的缺陷；

(2)通过设置稳流箱，可以缓冲来自储水桶出水口的动力水头，且通过设置消能仓，进一步保证储水桶水头的稳定性，减小水动力对测量结果的影响；

(3)通过在测筒与稳流箱的连接处设置分流罩，并在测筒内的土体的表层铺砾石垫层，可以防止土柱表面受到冲刷；

(4)通过在测筒表面设置呈螺旋扇状分布的测压孔，一方面可以避免在同侧垂向直线安装测压管插头导致的水流之间的相互干扰，同时可以实现分层测试土壤的渗透性；

(5)通过在测筒底部设置刀口，有利于切断植被根系，方便地将测筒置入待检测土体中，便于对土壤进行原位检测。

(6)本发明的装置可以同时进行定水头实验和降水头实验，适用于不同渗透特性的土壤，也适用于有植被覆盖的表层土壤，可对表层土壤渗透特性实现分层测试；

(7)本发明的装置无需动力设施，具有便携性特性，便于野外应用，且装置制作简单、操作方便，应用普及型强。

附图说明

图1为本发明的渗透实验装置的结构示意图；

图2为本发明的储水桶的结构示意图；

图3为本发明的升降平台的结构示意图；

图4为本发明的稳流箱的结构示意图；

图5为本发明的测筒的结构示意图；

图6为本发明的测压排的侧视图；

图7为本发明的毕托管插头的结构示意图；

图8为本发明装置测量土壤渗透特性的结果图。

具体实施方式

下述实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种便携式土壤表层原位渗透实验装置主要由供水系统和测量系统两个部分组成。供水系统主要包括储水桶1(如图2所示)、简易升降平台2(如图3所示)和稳流箱3(如图4所示)，供水系统主要用于为实验提供相对稳定的水头条件，并且改善供水水流条件。测量系统主要包括：测筒9(如图5所示)和测压排10(如图6所示)，测量系统主要用于测量土体不同深度的压力水头，并由此计算不同深度土体的渗透系数。

储水桶1由饮用水桶(18L，直径27cm)改装而成，取材方便，制作简单，水容量大且携带方便。改装后储水桶相当于一个马利奥特瓶(以下简称马氏瓶)，可以提供稳定的水头条件。具体改装过程为：将饮用水桶桶口倒置，由橡胶塞4封闭，橡胶塞4中间插入一根导气管5(桶内Φ5x1亚克力管，桶外接8x5 PU管)和一根出水管6(桶内Φ20x2.5亚克力管，桶外接26x19 PVC加筋软管)。导气管5一端插入桶内，端口低于桶内液面但高于出水管端口(假设比出水管端口高h，h>0，h的值不易过大，否则，为满足提供恒定的水头需要大量的水)；另一端暴露在大气中，高度大于桶内液面，由固定夹固定在桶壁上。出水管6与稳流箱3相连，中间设置止水夹38控制流量。根据U形管原理，尚未放水时储水桶1外导气管5内液面与桶内液面齐平，桶内液面以上空气压强为大气压强。当部分水从出水管6不断流出后，储水桶内液面以上空气压强逐步降低，形成负压(低于大气压强)，导气管5开始吸入空气，直至桶内导气管5端口处压强与大气压强相等。根据马氏瓶原理，如果桶内液面高于桶内导气管5端口，出水管6继续放水时桶内导气管5端口处压强始终等于大气压强，而出水管6桶内端口处维持恒定水头h，假定出水管桶外端口高度比桶内端口高度低Δh，则储水桶最终提供的水维持恒定水头h+Δh。一般的，0<h+Δh≤300mm，0<h≤50mm。

简易升降平台2(如图3所示)由可拆卸支架40和活动平台16组成。可拆卸支架40由L30*3型角钢组合而成，四面体框架结构，高度120cm，长宽各30cm。可拆卸支架40底部高度30cm和50cm之间布置一排桁架17，用于维持支架的稳定性。支架60cm以上部分为活动平台升降区，由四根支撑杆组成。支撑杆每5cm钻一个固定孔18，插入螺栓19固定活动平台16，放置储水桶1。活动平台16外边框由L30*3型角钢焊接而成，长宽各29.5cm，中间形成凹槽，放置木板平台。木板平台长宽各29cm，厚度2cm，中间挖圆孔(孔径15cm)，储水桶1桶口倒置后放入圆孔中。

稳流箱3由PP板(厚度10mm)焊接而成，长65cm，宽30cm，高40cm，带有薄铁皮活动顶盖，连接处配置扁嘴搭扣，实验时作为稳流箱使用，搬运及存储时作为储物箱用。稳流箱3一端设置进水口7，与储水桶1出水管连接，一端设置出水口，通过连接软管37与测筒9连接。为保持水头稳定性、减少水流动能，进水口7设置消能仓8，长、宽、高各10cm，进水时填充砾石缓冲水流。稳流箱3内恒定水位由储水桶1和简易升降平台2共同控制，即储水桶1最终提供的恒定水头。由于存在一定水头损失，稳流箱3内实际恒定水位略低于储水桶1桶内导气管5端口到稳流箱3进口高度(h+Δh)。

测筒9由无缝钢管(Φ159x4.5)制作而成，高度85cm，底部打磨成刀口13，长度约2～3cm。测筒9顶部30cm以下呈螺旋扇状布置7个测压孔12，竖向间隔5cm，孔径8mm，其中第一测压孔孔与土柱表面齐平。测压孔12内插入毕托管插头29，并通过止水垫25(橡胶垫)止水。毕托管插头29前端为筛管21，长度7cm，内径5mm，外径8mm，筛孔2mm。筛管21外附有滤网24(200目304钢)用于过滤泥沙。毕托管插头29的头部设有可拆卸的堵头39，毕托管插头29尾部为气动接头，通过PU管29与测压排10连接。测筒9上端设置有测筒入水口11，为防止土柱表面冲刷，在测筒入水口11处设置分流罩30，分流罩30由亚克力管焊接而成，位于土柱表面以上2～3cm处，顶部做成筛管，用于减小水流对测筒内水位的扰动。分流罩30下方铺1cm厚砂砾石垫层，保护土体表面不受水流冲刷。土柱为渗透试验测试主体，测试时毕托管插头29的筛管21部分插入土柱，分层测量每5cm深度土体的渗透系数。

测压排10(如图6所示)由测压管31、亚克力板32、软尺33和测压排挂架34制作而成。测压管31由PU管(8x5)制作而成，成排状固定在亚克力板32上，底部铺软尺33用于测量水头。亚克力板32后布置第一挂钩35，测压排挂架34的上端设置有第二挂钩36，从而可以将亚克力板竖直悬挂在测压排挂架上。测压管31与毕托管插头29通过PU管15连接，连接处采用气动PU管接头28对接，方便安装和排气。测筒与稳流箱和测压排连接，实验时由稳流箱提供恒定水头，由测压排测量压力水头。

使用本发明装置进行土壤表层定水头渗透实验的具体操作方法为：

(1)选择好测点，将测筒垂直压入土壤表层，或在测筒顶部加顶盖，用铁锤敲击，将测筒砸入土壤表层，挥动铁锤需均匀用力且竖直向下，直到测筒第一个测压孔(自上而下)与土柱表面(即地面线)齐平；

(2)将测筒外有测压孔分布一侧的土体挖除，挖坑深度40cm，呈60度角扇形布置，外圆半径约0.5m，露出所有测压孔；

(3)用测压孔疏通钻头清理测压孔，测压孔疏通钻头与毕托管插头结构类似，只是前端的筛管换成螺旋状钻头，方便毕托管插头插入测量土柱，减少因毕托管挤压土体引起的测量误差；

(4)在测压孔内安装毕托管插头，安装完成后对接PU管；进水口安装分流罩，并在土柱表层铺设砂砾石垫层(砂砾石直径2～3mm)；

(5)调节储水桶的导气管插入储水桶的深度，使导气管插入储水桶的深度高于出水管插入储水桶的深度5cm，出水管桶外端口高度比桶内端口高度低20cm，在扇形土坑内安装简易升降平台和测压排支架，将测压排挂在测压排支架上；在地表放置稳流箱，稳流箱内注水到25cm水深刻度线，消能仓内填充砂砾石(砂砾石直径5～10mm)；

(6)调节活动平台高度至稳流箱进水口以上约20cm，将储水桶装满水，瓶口倒置放在活动平台上；连接储水桶和稳流箱，打开储水桶和稳流箱之间的止水夹，调节活动平台高度，使稳流箱内维持恒定水头25cm；

(7)连接稳流箱出水口与测筒进水口，打开稳流箱与测筒之间的止水夹，稳定后测筒内维持恒定水头25cm；

(8)测压管插头出水后，将PU管内气体排出，利用气动接头对接测压排上的测压管；

(9)每隔2分钟记录每根测压管读数和储水桶水位，如果连续3次读数相同，则认为测压管水头基本稳定；

(10)如果测压管水头稳定后连续记录超过10次，或储水桶水位与桶内导气管端口齐平时，停止试验；

(11)整理实验数据，以测压管水头稳定后数据根据公式(1)计算土体渗透系数，取平均值作为最终测量值。

$K_s=\frac{{{\mathrm{\&pi;d}}_c}^2{\mathrm{\&Delta;h}}_{c}L}{4A(h_2-h_1)}---\left(1\right)$

其中，K_s为土壤渗透系数，d_c和Δh_c分别为储水桶的直径和每2分钟储水桶水位变化值，L为测量段土柱的长度，A为土柱截面积，h₁和h₂分别为测量段上、下测压管的压力水头。

使用本发明装置进行土壤表层降水头实验具体操作步骤：

(1)～(9)参照定水头实验；

(10)关闭稳流箱出水口止水夹，每隔2分钟记录测压管读数，待测筒内水位降到保护层表面后，完成本组实验，如果稳流箱水位降落较快，可将记录时间间隔缩短至1分钟；

(11)打开稳流箱出水口止水夹，测筒内水位恢复恒定水位25cm；

(12)重复步骤(10)～(11)，再进行2～3组实验；

(13)整理实验数据，根据公式(2)计算每组实验土体渗透系数，取平均值作为最终测量值。

$K_s=\frac{\mathrm{aL}}{A(t_2-t_1)}\ln \left(\frac{\mathrm{\&Delta;h}\left(t_1\right)}{\mathrm{\&Delta;h}\left(t_2\right)}\right)---\left(2\right)$

其中，K_s为土壤渗透系数，a为测筒内截面面积，L为两个测压管之间土柱的长度，A为土柱截面积，t₁和t₂分别为每组实验测量初始时刻和结束时刻，Δh(t₁)和Δh(t₂)分别为每组实验测量初始时刻和结束时刻测量段土体上、下测压管水头差。

将本发明的装置应用于鄱阳湖周滩湿地表层土壤渗透特性原位观测，主要目的是测试植物根系对表层土壤渗透性的影响。由于测试区域土壤为粉细沙层，采用降水头方法测试土壤渗透性，测量结果如图9所示，结果表明，土壤深度系数随着土壤深度的增加而降低，同时植物根系在一定程度上改善了土壤的渗透能力。

Claims (10)

1.一种便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，包括供水单元和测量单元其特征在于：

所述供水单元包括储水桶(1)、升降平台(2)和稳流箱(3)，所述储水桶(1)下端开口并设置在所述升降平台(2)上，所述开口用橡胶塞(4)密封，在橡胶塞(4)中间插设导气管(5)和出水管(6)，所述导气管(5)插入的深度大于所述出水管(6)插入的深度，所述导气管(5)的另一端暴露在大气中，该端的端口高度与储水桶(1)上端的高度相等；所述出水管(6)的另一端与所述稳流箱(3)的进水口(7)相通；所述稳流箱(3)的进水口(7)处设置有消能仓(8)；

所述测量单元包括测筒(9)和测压排(10)，其中，所述测筒(9)侧壁设置有测筒入水管(11)；在测筒入水管(11)的下方设有一组测压孔(12)，所述测压孔(12)呈螺旋扇状分布在测筒(9)的侧壁，所述测压孔(12)内插设有毕托管插头(29)；所述测筒(9)的底部设置有刀口(13)；所述测筒入水管(11)与所述稳流箱(3)底端的出水口(14)相通，所述毕托管插头(29)通过PU管(15)与所述测压排(10)相通。

2.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述的升降平台(2)呈四面体框架结构，包括可拆卸支架(40)和活动平台(16)，其中，所述可拆卸支架(40)底部设置有一排用于维持支架稳定性的桁架(17)，可拆卸支架(40)上端的支撑杆上每间隔3～5cm设置有固定孔(18)，所述活动平台(16)通过螺栓(19)与所述固定孔(18)固定连接。

3.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述的稳流箱(3)由PP板焊接而成，稳流箱(3)的进水口(7)设置于稳流箱(3)的底部并与所述消能仓(8)连通，所述消能仓(8)内填充有砾石。

4.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述毕托管插头(29)包括依次套接的筛管(21)、螺纹管(20)和PU短管(22)，所述筛管(19)表面均匀分布有直径为2mm的进水孔(23)，筛管(19)外部套设有滤网(24)；所述螺纹管(20)与筛管(21)的连接处设置有止水垫(25)，所述止水垫(25)通过螺帽(26)压紧止水；所述PU短管(22)的一端与螺纹管(20)通过防脱卡扣(27)进行固定连接，PU短管(22)另一端设置有气动PU管接头(28)；所述毕托管插头(29)通过气动PU管接头(28)将PU管(15)与测压排(10)连接；所述的毕托管插头(29)的筛管(21)部分插入所述测量孔(12)。

5.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述测筒入水管(11)位于测筒内的部分的顶端，设置有分流罩(30)，分流罩(30)高于测筒(9)内最上端的测量孔(12)2～3cm，分流罩(30)下方铺设1～2cm厚的砂砾石垫层；所述分流罩(30)由亚克力管焊接而成，顶部设为筛管。

6.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述测压孔(12)的个数为5～8个。

7.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述的测压排(10)包括测压管(31)、亚克力板(32)、软尺(33)和测压排挂架(34)，其中，所述测压管(31)为PU管，测压管(31)呈排状固定在所述亚克力板(32)的一侧；所述亚克力板(32)与测压管(31)之间设置有用于测量水头的软尺(33)；所述亚克力板(32)的另一侧设置有第一挂钩(35)；所述测压排挂架(34)上端设置有与所述第一挂钩(35)相配合的第二挂钩(36)。

8.根据权利要求1所述的便携式土壤表层原位垂向渗透实验装置，其特征在于，所述的储水桶(1)与稳流箱(3)之间、稳流箱(3)与测筒(9)之间通过连接软管(37)连接，且所述连接软管(37)上设置有止水夹(38)。

9.权利要求1所述的装置在土壤表层原位垂向渗透实验中的应用，其特征在于：

当用于定水头实验时，包括如下步骤：

(A1)选择测点，将测筒直接垂直压入土壤表层，或在测筒顶部加顶盖用铁锤均匀用力且竖直向下敲击将测筒砸入土壤表层，直到位于测筒最顶端的测压孔与土柱表面(即地面线)齐平；

(A2)将测筒侧壁设有测压孔一侧的土体挖除，露出所有测压孔；

(A3)清理测压孔；

(A4)在测压孔内安装毕托管插头，然后对接PU管；在测筒入水管顶部安装分流罩，并将分流罩的顶部设置成筛管，然后在土柱表面铺设砂砾石垫层，砂砾石的直径为2～3mm；

(A5)安装升降平台和测压排支架，将测压排挂在测压排支架上；在地表放置稳流箱，稳流箱内注水到h+Δh水深刻度线，在消能仓内填充砂砾石，砂砾石的直径为5～10mm；

(A6)将储水桶的出水管穿过插入橡胶塞内，调节储水桶的导气管穿过橡胶塞插入储水桶内的深度，使导气管插入桶内深度高出出水管插入桶内深度，高出部分记为h；调节活动平台高度，使储水桶的出水管桶内端口高度比稳流箱进水口高度高出约Δh；

(A7)将储水桶装满水，瓶口向下放在活动平台上；连接储水桶和稳流箱，打开储水桶和稳流箱之间的止水夹，微调活动平台高度，使稳流箱内维持恒定水头h+Δh；

(A8)连接稳流箱出水口与测筒进水口，打开稳流箱与测筒之间的止水夹，稳定后测筒内维持恒定水头h+Δh；

(A9)测压管插头出水后，将PU管内气体排出，利用气动接头对接测压排上的测压管；

(A10)每隔2分钟记录每根测压管读数和储水桶水位，如果连续3次读数相同，则认为测压管水头基本稳定；

(A11)在测压管水头稳定后连续记录超过5～10次，或储水桶水位与桶内导气管端口齐平时，停止实验；

(A12)整理实验数据，以测压管水头稳定后数据根据公式(1)计算土体渗透系数，取平均值作为最终测量值：

$K_s=\frac{{{\mathrm{\&pi;d}}_c}^2{\mathrm{\&Delta;h}}_{c}L}{4A(h_2-h_1)}---\left(1\right)$

其中，K_s为土壤渗透系数，d_c和Δh_c分别为储水桶的直径和每2分钟储水桶水位变化值，L为测量段土柱的长度，A为土柱截面积，h₁和h₂分别为测量段上、下测压管的压力水头；

当用于降水头实验时，包括如下步骤：

(B1)～(B9)与上述定水头实验中的步骤(A1)～(A9)完全相同；

(B10)关闭稳流箱出水口止水夹，每隔2分钟记录测压管读数，待测筒内水位降到保护层表面后，完成本组实验，

(B11)打开稳流箱出水口止水夹，测筒内水位恢复恒定水位h+Δh cm；

(B12)重复步骤(B10)～(B11)，再进行2～3组实验；

(B13)整理实验数据，根据公式(2)计算每组实验土体渗透系数，取平均值作为最终测量值；

$K_s=\frac{\mathrm{aL}}{A(t_2-t_1)}\ln \left(\frac{\mathrm{\&Delta;h}\left(t_1\right)}{\mathrm{\&Delta;h}\left(t_2\right)}\right)---\left(2\right)$

其中，a为测筒内截面面积，L为两个测压管之间土柱的长度，A为土柱截面积，t₁和t₂分别为每组实验测量初始时刻和结束时刻，Δh(t₁)和Δh(t₂)分别为每组实验测量初始时刻和结束时刻测量段土体上、下测压管水头差。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，h和h+Δh的取值范围如下：

0<h+Δh≤300mm，0<h≤50mm。