CN104359802A - 基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，包括供水装置、水流缓冲装置、多段式实验段和测量装置。多段式实验段是将多个土柱单元管连接，形成满足包气带水动力弥散系数测定所需的半无限边界和可装填均一质地土壤的实验段。测定仪可根据土样的性质加长土柱的长度，满足包气带水动力弥散系数测定方程的半无限长边界定解条件；采用多个土柱单元管的结构方便土样的装填，满足该测定方程土壤质地均一的假定条件，且能排除边壁效应对测试结果的影响。测量装置包括水分测量及浓度测量装置。本测定仪结构简单，使用方便，误差小，可用于测定包气带水动力弥散系数，为土壤改良、污染物在包气带土壤的运移提供研究参数。

Description

基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪

技术领域

本发明涉及一种包气带水动力弥散系数测定的装置和方法，具体地说是涉及一种基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪。

背景技术

随着农业生产的发展和科学技术水平的提高，要求农田合理施肥，经济灌溉和有效预测、控制土壤盐碱化，防止农药、化肥和废水灌概引起土壤和地下水污染，及土壤溶质随地表径流迁移，引起水环境污染和土壤生产力降低，已成为当今世界普遍关注的问题。包气带水动力弥散系统是研究土壤溶质运移的一个重要参数。对土壤溶质研究最广泛的是利用数学模型模拟土壤溶质运动，其中包气带水动力弥散系数是不可缺少的参数之一。因此研究包气带土壤水动力弥散系数测定方法具有重要的现实意义和理论价值。

传统测定包气带水动力弥散系数的方法有水平土柱法、垂直土柱法和土壤水特征曲线计算法等。但垂直土柱法由于不能消除重力的影响，适用于水分入渗时间不是很长的情况,当时间很长时,特别是t→∞时,其结果与实际不符。而水分特征曲线法则是由测得土壤的水特征曲线得出土壤的水动力弥散系数，此过程涉及参数多,计算复杂。虽然水平土柱法能消除重力及侧向压力的影响，且计算方法简单，得到的值比较准确，常作为精确解来验证用数值计算或其它方法所得到的结果。但传统水平土柱由于技术水平限制，无法满足包气带水动力弥散系数微分方程的定解条件和假定条件，即水平土柱为半无限长，且土壤质地密度均一，因此传统水平土柱测定的水动力弥散系数仍有较大误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提供一种方便测定，费用低，误差小的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，既方便于土柱土样均一装填，同时可以根据土样的性质加长土柱的长度，且能排除边壁效应对测试结果的影响，即可以满足包气带水动力弥散系数微分方程的定解条件和假定条件，从而准确测定包气带水动力弥散系数。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：提供一种基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，包括供水装置、水流缓冲装置、多段式实验段和测量装置,所述的供水装置设有马氏瓶、水箱及控制阀A、控制阀B，马氏瓶顶部通过橡皮塞插有进气管，马氏瓶下部设出水口与马氏瓶出水管相连，马氏瓶出水管上装有控制阀B；水箱安装于比水室段高的位置，水箱出水口与水箱出水管相连，水箱出水管上装有控制阀A，马氏瓶出水管和水箱出水管一端分别插在水室段前端的橡皮塞中；

所述的水流缓冲装置设有水室段和滤层段，采用两段等径的、两端设有外螺纹的圆管作为水室段和滤层段的外管，两段圆管之间通过配套的带有内螺纹的连接管连接；在滤层段两端设有带孔板，分别用于滤层段与前端的水室段、后端的土柱单元管隔开，带孔板在朝滤层段两端内侧粘有致密纱网，滤层段中填充有石英砂；

所述的多段式实验段设有土柱单元管、连接管、外丝宝塔接头、固定盖及支座；多段式实验段由多个土柱单元管通过连接管连接而成，在每个土柱单元管两侧、距两端部的四分之一处各钻有两对相对排列的安装孔，在安装孔中装有外丝宝塔接头，固定盖通过螺纹旋在外丝宝塔接头中，固定盖、外丝宝塔接头用以固定水分传感器和电导电极；每个土柱单元管下设有与土柱单元管相配的支座，支座上端带有圆弧用于固定、支撑土柱单元管及消除重力势的影响；土柱单元管用于填装实验的土壤；

所述的测量装置包括水分测量装置和浓度测量装置，所述的水分测量装置由土壤水分传感器、数据采集线及土壤水分含量数据处理系统组成，每个土柱单元管中通过固定盖、外丝宝塔接头安装有两个土壤水分传感器，土壤水分传感器通过数据采集线与土壤水分含量数据处理系统相连；所述的浓度测量装置由电导电极、数据采集线及电导率仪组成，每个土柱单元管中也通过固定盖、铜外丝宝塔安装有两个电导电极，两个电导电极与两个土壤水分传感器相对安装，电导电极通过数据采集线与电导率仪相连。

所述的进气管插在马氏瓶中，进气管下端伸至马氏瓶下部出水口的中心水平位置，使进气管下端、马氏瓶出水口以及水室段的进水口保持同一水平高度，用以消除压力势对土壤水分扩散的影响。

所述的水室段、滤层段采用的圆管与多段式实验段的土柱单元管均为等径的、两端设有外螺纹的圆管，均通过带有内螺纹的连接管连接。

所述的多段式实验段的土柱单元管数根据土壤性质及实验要求灵活增加，以满足包气带水动力弥散系数测定所需的半无限边界和装填均一质地土壤的多段式实验段。

所述的每个土柱单元管采用有机玻璃管制作，每个长度18～24cm，以避免土柱单元管太长使土柱装样不均一，及保证土柱初始含水率和质地均一。

所述的多段式实验段的土柱单元管装土过程为：试样土壤经过风干、磨细和通过孔径2mm的筛网过筛，试样土壤分层填装夯实，每层厚度3cm，为保持各层接触紧密，层间做抓毛处理；填装完第一个土柱单元管后，用连接管连接另一个土柱单元管，继续前面的装填步骤，依次装填多个土柱单元管组成多段式实验段；之后将土壤水分传感器与电导电极相对插入到每个土柱单元管的外丝宝塔内，并用固定盖旋紧固定。

所述的供水过程为先打开与水箱相连的控制阀A，向水室段供水，当水室段充满水，滤层段部分饱水时关闭控制阀A，再打开与马氏瓶相连的控制阀B。

本发明基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪的工作原理如下：

本测定仪采用水平土柱法测定包气带水动力弥散系数。要求土柱的土壤质地密度均一、初始含水率相同、土柱进水端水位恒定、压力为零，即水分在土柱中水平吸渗运动的主要动力为土壤基质吸力。由于土柱管的口径较小，因此忽略重力作用，视为一维水平流动。测定仪通过带有内螺纹的连接管将一个一个的土柱单元管连接起来，形成满足包气带水动力弥散系数测定所需的可满足半无限边界和可装填均一质地土壤的的多段式实验段。

非饱和土壤一维水平非稳态流条件下，土壤溶质运移的基本方程是：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\θC}\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[D_{\mathrm{sh}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\υ})\frac{\∂C}{\∂x}\right]-\frac{\∂\left(\mathrm{qC}\right)}{\∂x}---\left(1\right)$

式中：θ—为土壤的体积含水率，cm³/cm³；

C—为土壤的溶质浓度，g/L；

t—为实验时间，min；

υ—为土壤水的平均孔隙流速，cm/min；

q—为水流通量，cm/min；

D_sh(θ，υ)—为土壤水动力弥散系数，cm²/min；

x—为水平距离，cm。

一般来讲，D_sh(θ，υ)是θ、υ的函数。由于在非饱和土壤水流中，水的平均孔隙流速υ很小，因而对D_sh(θ)的影响很小，因此，假设D_sh(θ，υ)只与θ有关，则方程可写为：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\θC}\right)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[D_{\mathrm{sh}}\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\∂C}{\∂x}\right]-\frac{\∂\left(\mathrm{qC}\right)}{\∂x}---\left(2\right)$

对于初始含水率和初始浓度均为均匀的均质水平土柱而言，其方程定解条件可分为土壤水分运动的定解条件和溶质运移的定解条件。

土壤水分运动的定解条件：

θ＝θ_i，x>O，t＝O

θ＝θ₀，x＝O，t≥O   (3)

式中：θ_i—为土壤的初始体积含水率，cm³/cm³；

θ₀—为土壤的饱和体积含水率，cm³/cm³。

土壤溶质运移的定解条件：

θ＝θ_i，C＝C_i，x>O，t＝O

θ＝θ₀，C＝C₀，x＝O，t≧O   (4)

式中：θ₀—为土壤的饱和体积含水率，cm³/cm³

θ_i—为土壤的初始体积含水率，cm³/cm³；

C_i—为土壤的溶质初始浓度，g/L。

若不考虑滞后和溶质对水分运动的影响，对水平入渗有：

$q=-D\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}---\left(5\right)$

式中：q—为水流通量，cm³/min·cm²；

D(θ)—为土壤的水分扩散度，cm²/min。

由连续方程：

$\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}=-\frac{\∂q}{\∂x}---\left(6\right)$

利用微分法则，将式(2)展开，

$\mathrm{\θ}\frac{\∂C}{\∂t}+C\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[D_{\mathrm{sh}}\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\∂C}{\∂x}\right]-q\frac{\∂C}{\∂x}-C\frac{\∂q}{\∂x}---\left(7\right)$

将式(5)、(6)代入并化简得：

$\mathrm{\θ}\frac{\∂C}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[D_{\mathrm{sh}}\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\∂C}{\∂x}\right]+D\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}\frac{\∂C}{\∂x}---\left(8\right)$

令Boltzmann变换系数λ＝xt^-1/2，利用Boltzmann变换可解出土壤的水动力弥散系数D_sh(θ)的计算公式为：

$D_{\mathrm{sh}}\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{2}\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dC}}{\∫}_{C_i}^{C}g\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{dC}---\left(9\right)$

式中： $g\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{\θ\λ}-{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_i}^{\mathrm{\θ}}\mathrm{\λd\θ}$

为了计算方便，令无因次的浓度比值为：

$\stackrel{\‾}{C}=\frac{C-C_i}{C_0-C_i}---\left(11\right)$

代入得到式(9)得：

$D_{\mathrm{sh}}\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{2}\frac{\mathrm{d\λ}}{d\stackrel{\‾}{C}}{\∫}_{{\stackrel{\‾}{C}}_i}^{\stackrel{\‾}{C}}g\left(\mathrm{\θ}\right)d\stackrel{\‾}{C}---\left(12\right)$

这样，进行半无限土柱的溶质水平入渗实验，在实验终结测出土柱的含水率分布和溶质含量分布，据λ＝xt^-1/2和绘出θ-λ以及关系曲线，利用式(10)、(12)就可计算出D_sh(θ)。

本发明的多段式包气带水动力弥散系数测定仪与现有技术相比具有如下的优点：

⑴、本发明的测定仪可以根据土样的性质加长土柱的长度，用以满足包气带水动力弥散系数测定方程的半无限长边界定解条件。

⑵、本发明测定仪的多段式实验段由多段长18-24cm的土柱单元管组成，方便土样的装填，可避免土柱单元管太长使土柱装样不均一，及保证土柱初始含水率和质地均一,满足包气带水动力弥散系数测定方程土壤质地均一的假定条件，且排除了边壁效应对测试结果的影响。

⑶、本发明的测定仪结构简单，使用方便，可广泛用于包气带水文研究。本测定仪可作为教学仪器有助于学生更好理解包气带水动力弥散系数测定的原理和其适用范围；在生产中可用于测定包气带土壤水动力弥散系数，为研究农田土壤改良提供参数，也可以测定受污染的土壤的水动力弥散系数，为研究污染物在包气带土壤的运移提供参数。

附图说明

图1为本发明基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪结构示意图。

图2为本发明中土柱单元管与连接管的结构示意图。

图3为本发明中的支座与土柱单元管的侧视示意图。

上述图中：1—进气管，2—马氏瓶，3—橡皮塞，4—控制阀A、5—水箱，6—水室段，7—纱网，8—带孔板，9—滤层段，10—石英砂，11—土柱单元管，12—传感器，13—数据采集线，14—支座，15—土壤水分含量数据处理系统，16—控制阀B，17—电导电极，18—电导率仪，19—连接管，20-内螺纹，21-外螺纹，22-安装孔、23-固定盖，24-外丝宝塔接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供的一种基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其结构如图1所示。包括供水装置、水流缓冲装置、多段式实验段和测量装置；所述的供水装置设有马氏瓶2、水箱5及控制阀A4、控制阀B16，马氏瓶顶部通过橡皮塞插有进气管1，马氏瓶下部设出水口与马氏瓶出水管相连，马氏瓶出水管上装有控制阀B16；水箱安装于比水室段6高的位置，水箱出水口与水箱出水管相连，水箱出水管上装有控制阀A4，马氏瓶出水管和水箱出水管分别插在水室段前端的橡皮塞3中；水箱5用于向水室段6提供定量的水量，以保证马氏瓶2中的水量全部用以进行土柱的水平入渗；所述的进气管采用玻璃管，插在马氏瓶中的进气管1下端伸至马氏瓶下部出水口的中心水平位置，使进气管下端、马氏瓶出水口以及水室段的进水口保持同一水平高度，用以消除压力势对土壤水分扩散的影响。

所述的水流缓冲装置设有水室段6和滤层段9，本实施例中采用两段等径的、两端设有外螺纹21的圆管作为水室段6和滤层段9的外管，两段圆管均采用长度为10cm、直径5cm的有机玻璃管制作，参见图2，两段圆管之间通过配套的带有内螺纹20的连接管19连接；连接管为长4cm的有机玻璃管。在滤层段9两端设有带孔板8，带孔板分别用于与前端的水室段6、后端的土柱单元管11隔开，带孔板8也用有机玻璃加工的，带孔板8用氯仿连接在滤层段9两端，带孔板在朝滤层段9内侧粘有致密纱网7，滤层段中填充有石英砂10；

所述的多段式实验段设有土柱单元管11、连接管19、外丝宝塔接头24、固定盖23及支座14；多段式实验段由多个土柱单元管通过连接管连接而成，在每个土柱单元管两侧、距两端部的四分之一处各钻有两对相对排列的安装孔22。参见图2、3。在安装孔中装有铜质的外丝宝塔接头24，固定盖23通过螺纹旋在外丝宝塔接头中，固定盖、外丝宝塔接头用以固定水分传感器12和电导电极17；每个土柱单元管采用有机玻璃管制作，长度20cm，这样可避免土柱单元管太长使土柱装样不均一，且保证土柱初始含水率和质地均一。每个土柱单元管下设有与土柱单元管相配的支座，支座上端带有圆弧用于固定、支撑土柱单元管及消除重力势的影响；土柱单元管用于填装实验的土壤。

所述的水室段6、滤层段9采用的圆管与多段式实验段的土柱单元管11均为等径的、两端设有外螺纹21的圆管，均通过带有内螺纹20的连接管19连接。多段式实验段的土柱单元管数可以根据土壤性质及实验要求灵活增加，用于满足包气带土壤水动力弥散系数测定水平土柱法所需要的半无限边界条件。

所述的测量装置包括水分测量装置和浓度测量装置。水分测量装置由土壤水分传感器12、数据采集线13及土壤水分含量数据处理系统15组成，每个土柱单元管11上安装有两个土壤水分传感器12，分别安装在管中距两端四分之一处，土壤水分传感器12通过数据采集线与土壤水分含量数据处理系统15相连，土壤水分含量数据处理系统采用TDR土壤水分含量数据处理系统。所述的浓度测量装置由电导电极17、数据采集线13及电导率仪18组成，电导电极17也安装在土柱单元管上，与土壤水分传感器12相对安装，电导电极通过数据采集线和电导率仪18相连。

使用本发明的水动力弥散系数测定仪，必须保证供水箱5向水室段6提供定量的水量，以保证马氏瓶2中的水量全部用来进行土柱的水平入渗，否则实验过程中马氏瓶中的水量不够用，最终会造成试验结果的偏差。供水过程为先打开与水箱5相连的控制阀A4，向水室段6供水，当水室段充满水，滤层段9部分饱水时关闭控制阀A4，再打开与马氏瓶相连的控制阀B16。

本发明的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪的工作步骤如下：

①、装填试样土壤

试样土壤经过风干、磨细和过筛(孔径2mm)，试样土壤分层填装夯实，每层厚度3cm左右，为保持各层接触紧密，层间做抓毛处理。装完第一个土柱单元管后，用连接管连接另一个土柱单元管，继续前面的装填步骤，依次装填好多个土柱单元管组成多段式实验段，保证土柱初始含水率和质地均一。之后在每个土柱单元管上对称地安装土壤水分传感器12与电导电极17。

②、测定仪安装

试样填装完毕后，将水室段6、滤层段9及多段式实验段用连接管19连接。放置好马氏瓶2，为了实现无压供水，放置马氏瓶时，马氏瓶上瓶口须盖上橡皮塞3，将进气管1插入马氏瓶2中，进气管的下端、马氏瓶出水口以及水室段进水口处于同一水平高度，以保证实验时为零水头供水。

③、向水室段供水

打开与供水水箱5相连的控制阀A4向水室段6供水，当水室段充满水，滤层段9饱水时关闭控制阀A4，打开与马氏瓶2相连的控制阀B16，同时启动秒表记录实验开始时间t0。

④、观测、记录试验数据

待多段式实验段中的湿润锋到达整个土柱的2/3时，关闭控制阀B16，记录结束时间t_n，利用水分测量装置及浓度测量装置测出土柱沿程x_i(i＝1，2，3，…，10)试样含水率θ_i分布及溶质含量分布通过前述计算公式计算包气带水动力弥散系数。

Claims (7)

1.一种基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，包括供水装置、水流缓冲装置、多段式实验段和测量装置,其特征在于：

所述的供水装置设有马氏瓶、水箱及控制阀A、控制阀B，马氏瓶顶部通过橡皮塞插有进气管，马氏瓶下部设出水口与马氏瓶出水管相连，马氏瓶出水管上装有控制阀B；水箱安装于比水室段高的位置，水箱出水口与水箱出水管相连，水箱出水管上装有控制阀A，马氏瓶出水管和水箱出水管一端分别插在水室段前端的橡皮塞中；

所述的水流缓冲装置设有水室段和滤层段，采用两段等径的、两端设有外螺纹的圆管作为水室段和滤层段的外管，两段圆管之间通过配套的带有内螺纹的连接管连接；在滤层段两端设有带孔板，分别用于滤层段与前端的水室段、后端的土柱单元管隔开，带孔板在朝滤层段两端内侧粘有致密纱网，滤层段中填充有石英砂；

所述的多段式实验段设有土柱单元管、连接管、外丝宝塔接头、固定盖及支座；多段式实验段由多个土柱单元管通过连接管连接而成，在每个土柱单元管两侧、距两端部的四分之一处各钻有两对相对排列的安装孔，在安装孔中装有外丝宝塔接头，固定盖通过螺纹旋在外丝宝塔接头中，固定盖、外丝宝塔接头用以固定水分传感器和电导电极；每个土柱单元管下设有与土柱单元管相配的支座，支座上端带有圆弧用于固定、支撑土柱单元管及消除重力势的影响；土柱单元管用于填装实验的土壤；

所述的测量装置包括水分测量装置和浓度测量装置，所述的水分测量装置由土壤水分传感器、数据采集线及土壤水分含量数据处理系统组成，每个土柱单元管中通过固定盖、外丝宝塔接头安装有两个土壤水分传感器，土壤水分传感器通过数据采集线与土壤水分含量数据处理系统相连；所述的浓度测量装置由电导电极、数据采集线及电导率仪组成，每个土柱单元管中也通过固定盖、铜外丝宝塔安装有两个电导电极，两个电导电极与两个土壤水分传感器相对安装，电导电极通过数据采集线与电导率仪相连。

2.根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其特征在于：所述的进气管插在马氏瓶中，进气管下端伸至马氏瓶下部出水口的中心水平位置，使进气管下端、马氏瓶出水口以及水室段的进水口保持同一水平高度，用以消除压力势对土壤水分扩散的影响。

3.根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其特征在于：所述的水室段、滤层段采用的圆管与多段式实验段的土柱单元管均为等径的、两端设有外螺纹的圆管，均通过带有内螺纹的连接管连接。

4.根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其特征在于：所述的多段式实验段的土柱单元管数根据土壤性质及实验要求灵活增加，以满足包气带水动力弥散系数测定所需的半无限边界和装填均一质地土壤的多段式实验段。

5.根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其特征在于：所述的每个土柱单元管采用有机玻璃管制作，每个长度18～24cm，以避免土柱单元管太长使土柱装样不均一，及保证土柱初始含水率和质地均一。

6.根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其特征在于：所述的多段式实验段的土柱单元管装土过程为：试样土壤经过风干、磨细和通过孔径2mm的筛网过筛，试样土壤分层填装夯实，每层厚度3cm，为保持各层接触紧密，层间做抓毛处理；填装完第一个土柱单元管后，用连接管连接另一个土柱单元管，继续前面的装填步骤，依次装填多个土柱单元管组成多段式实验段；之后将土壤水分传感器与电导电极相对插入到每个土柱单元管的外丝宝塔内，并用固定盖旋紧固定。

7.根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带水动力弥散系数测定仪，其特征在于：所述的供水过程为先打开与水箱相连的控制阀A，向水室段供水，当水室段充满水，滤层段部分饱水时关闭控制阀A，再打开与马氏瓶相连的控制阀B。