CN104535476A - 一种野外土壤入渗实验实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种野外土壤入渗实验实时监测装置，其包括两根支架、设置在两根支架中间的支撑杆、设置在支架底部的底盘、双环以及马氏瓶，所述支架包括第一支架部以及第二支架部，所述第一支架部套设在所述第二支架部内并通过固定装置固定在一起，所述支撑杆上设置有若干个能滑动的环形件，所述环形件能滑动的套设在所述支撑杆上，所述环形件上设置有第一悬挂装置，所述第一悬挂装置挂设有计重单元。本发明结构简单，制作材料费用低廉，计重单元大幅提高了数据的精确度，能够精确计算土壤的入渗量，保证了实验的精确度，无线自动监测又节省了大量的人力，在使用时，支架可以自由装卸，还可以根据需要调节高度。

Description

一种野外土壤入渗实验实时监测装置

技术领域

本发明涉及野外土壤入渗试验领域，具体的涉及一种野外土壤入渗实验实时监测装置。

背景技术

原位入渗实验是水文地质勘查中评价包气带土层垂向入渗能力的常用方法，通常采用双环法。这种方法把内环溶液的通过包气带到达潜水面的运动近似看作一维垂向运动，解出土层的垂向饱和渗透系数。原位入渗实验可以更加准确的测试地层天然入渗能力。双环法就是在试验地点地表嵌入两个环形件，内、外环直径一般分别为0.25m和0.50m。试验时往两个环形件内同时注入溶液，控制外环和内环液体位都保持同一高度。根据内环所得的资料计算岩土的垂向渗透系数。外环的液体用于控制侧向入渗，内环液体主要是垂向入渗。

土壤入渗量的监测主要是监测降液体入渗到土壤中的入渗时间、入渗速率以及入渗量，目前野外测定土壤入渗的方法有：双环实验法、环刀法、渗透仪法等。现有的土壤入渗方法的测量存在以下一些缺点：

现有的装置都是利用马氏瓶内液面的高度变化乘以瓶底截面积来计算瓶内的溶液量的变化量，但是这种情况下，当瓶底的截面积较大时，瓶内溶液重量的计算误差很大，有时会达到几百克；

现有的装置需要人工守候，无法实现无人值守、连续监测，浪费了大量的人力物力。

发明内容

本发明为了解决上述提到的现有的土壤入渗量测量装置存在的计算误差大，且无法实现无人值守、连续监测的缺点，提供一种测量精度大的土壤入渗实验实时监测装置，能够准确的计量土壤入渗量，本发明的另一个目的在于能够实现野外土壤入渗试验的无人值守及连续监测。

具体的，本发明提供一种野外土壤入渗实验实时监测装置，两根竖直固定的支架、架设在两根支架之间的水平支撑杆、双环以及马氏瓶，所述支撑杆上设置有若干个能滑动的环形件，所述环形件能滑动地套设在所述支撑杆上，所述环形件上设置有第一悬挂装置，所述第一悬挂装置挂设有计重单元，所述马氏瓶通过第二悬挂装置悬挂在计重单元的下方；

所述马氏瓶包括瓶体、瓶口、瓶塞、导液管以及导气管，所述导液管的第一端位于瓶口外部并设置有倾斜的端口，所述导液管的第二端穿过所述瓶塞并延伸至瓶体内部，所述导气管的第一端位于瓶口外部并设置有导气漏斗，所述导气管的第二端穿过所述瓶塞并延伸至瓶体底部；

所述双环包括水平同心套设的第一圆环以及第二圆环，所述第一圆环以及第二圆环在垂直方向上部分插设在土壤内部；

所述计重单元用于将所测得的马氏瓶中的溶液重量传输至远程控制器以获得土壤入渗量。

可优选地，所述计重单元包括壳体以及设置在所述壳体内部的无线传输装置，所述壳体的外表面上设置有液晶显示屏，用于显示马氏瓶内液体量的变化。

可优选地，所述计重单元通过无线传输装置在一定间隔时间下自动记录所述马氏瓶的溶液重量并将测得的溶液重量数据传输至用于计算土壤垂向渗透系数的远程控制器。

可优选地，所述远程控制器设置有中央控制单元、数据存储单元、入渗系数计算单元以及人机操作界面，所述数据存储单元、入渗系数计算单元以及人机操作界面与所述中央控制单元通讯连接，所述数据存储单元用于存储计重单元得到的溶液重量数据，所述入渗系数计算单元根据溶液重量数据及预设的参数计算土壤的垂向渗透系数，人机操作界面用于进行操作及设置。

可优选地，所述第一圆环与所述第二圆环之间的区域垂直设置有带刻度标尺，用于监测双环内液面的高度。

可优选地，所述第二悬挂装置为罩设在马氏瓶外部的网罩，所述网罩的端部设置有圆形端口。

可优选地，所述圆形端口为金属圈，所述金属圈通过尼龙绳连接有若干个金属环。

可优选地，所述无线传输装置为远程无线传输装置。

可优选地，所述两根支架均包括第一支架部部以及第二支架部部，所述第一支架部部套设在所述第二支架部部内并通过固定装置固定在一起使支架高度可调。

本发明的另一个目的在于提供一种根据野外土壤入渗实验实时监测装置进行岩土体入渗实验，其包括以下步骤：

S1、将野外土壤入渗实验实时监测装置的双环插入岩土体中，在双环中注入高度为10cm的溶液；

S2、当入渗实验开始时，由于岩土体处于不饱和状态，所以入渗量比较大，随着岩土体的饱液体度的增大，当溶液渗入量趋于平缓时，岩土体的垂向渗透量处于一个稳定的水平，此时岩土体处于饱和状态；

S3、当入渗实验进行到溶液的渗入量趋于稳定，即岩土体处于饱和状态时，通过计重单元将测得液体量数据实时传输至远程控制器，入渗系数计算单元根据实时获得的溶液重量数据按照下式计算土壤垂向渗透系数：

$K=\frac{\mathrm{QL}}{F(H_k^{\′}+Z+L)}$

式中：K为岩土体的垂向渗透系数，单位m/s；Q为溶液的稳定渗入量，单位m³/s；F为第一圆环的面积，单位m²；Z为第一圆环的液体层厚度，单位m；H'_k为毛细压力，单位m；L为试验结束时溶液的渗入深度，单位m。

本发明的优点如下所述：

计重单元可以自动精确的监测并记录马氏瓶内溶液的变化量，同时还可以通过GPRS网络传输到远程控制器，为土壤入渗量的计算提供数据基础。无线传输装置可以实现无人值守，连续监测。

导气管顶端的漏斗可以大大的提高空气的吸入量和吸入速度。以往的导气管顶端无漏斗，当瓶内的溶液流下时，瓶内出现负压，而导气管会在负压作用下吸入一定量的液体，当导气管中的溶液从导气管上端排出后，瓶外的气体才可以进入瓶中，使瓶中的溶液顺着导液管流出。这个过程会影响到瓶内溶液的流速。但是当导气管下端为漏斗时，当瓶内为负压时，漏斗也会吸起一定量的液体，由于漏斗面积较大，在负压作用下吸起液体的重量也较大，升起一定高度后会很快下落，使空气快速进入瓶中，使瓶中液体快速流出。

网罩上下的金属圈可以根据瓶子大小自由改装，架上的尼龙绳也可以根据瓶子的大小自由调整。尼龙绳上的金属环能够直接挂到计重单元的挂钩上，装卸都比较方便。

支架可以自由装卸，还可以根据需要调节高度。同时，支架上的可滑动环形件可以根据需要自由滑动。本发明结构简单，制作材料费用低廉，计重单元大幅提高了数据的精确度，无线自动监测又节省了大量的人力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的马氏瓶的结构示意图；

图3为本发明的网罩的结构示意图；

图4为本发明的双环的结构示意图；

图5为本发明的工作结构示意图；以及

图6为入渗实验获得的数据示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构及具体的工作原理做进一步解释：

如图1所示，本发明提供一种野外土壤入渗实验实时监测装置，其包括两根通过底盘3竖直固定的支架1、设置在两根支架1中间的支撑杆2、双环4以及马氏瓶5。双环4插设在土壤内部，马氏瓶5通过网罩51挂设在双环4的上部。两根支架1通过底盘3固定在地面上，支撑杆2水平放置在两根支架之间，双环4设置在支撑杆2的下方。

支架1包括第一支架部101以及第二支架部102，第一支架部101套设在第二支架部102内并通过固定装置103固定在一起，固定装置103上设置有销钉104，在使用时，第一支架部101以及第二支架部102能够自由拆卸，并且可以根据需要调节高度。

支撑杆2上设置有若干个可滑动的环形件21，环形件21能滑动的套设在支撑杆2上，环形件21可以为铁环，环形件21上设置有S形挂钩211，S形挂钩211的一端挂在环形件21上，另一端挂设有计重单元6，计重单元6的底部设置有挂钩61，网罩51挂设在挂钩61上。

计重单元6包括壳体60以及设置在壳体60内部的无线传输装置62，壳体61的上表面上设置有圆环611，圆环611挂设在S形挂钩211上。壳体60的外表面上设置有液晶显示屏63，无线传输装置62通过无线网络连接有远程控制器7，计重单元6实时测量马氏瓶中的溶液重量，并通过无线传输装置62将计重单元6得到的溶液重量传输至远程控制器7。在本实施例中，无线传输装置62为无线发射仪，无线发射仪通过无线网络发送数据，包括溶液重量数据以及与之相对应的时间。无线传输装置62还设置有记录单元，实现数据的自动记录，通过设定计重单元6的计重间隔时间，无线传输装置62在一定间隔时间下自动记录马氏瓶中液体的重量并传送至远程控制器7。

优选的，如图5所示，远程控制器7设置有中央控制单元71、数据存储单元72、入渗系数计算单元73以及人机操作界面74。数据存储单元72、入渗系数计算单元73以及人机操作界面74与中央控制单元71通讯连接。数据存储单元72用于存储计重单元6得到的溶液重量数据，入渗系数计算单元73根据溶液重量数据及预设的参数计算土壤的土壤垂向渗透系数，人机操作界面74用于进行操作及设置。计重单元6可以自动精确的监测并记录马氏瓶内液体的变化量，同时还可以通过GPRS网络传输到远程控制器7，为土壤垂向渗透系数的计算提供数据。

如图3所示，网罩51设置在马氏瓶5的外部用于悬挂马氏瓶5，网罩51的端部设置有圆形端口511，圆形端口511上设置有悬挂装置512，悬挂装置512挂设在计重单元6的挂钩61上。优选的，圆形端口511为金属圈513，金属圈513通过尼龙绳514连接有若干个金属环515。

如图2所示，马氏瓶5包括瓶体52与瓶口53，瓶口53设置有瓶塞57，瓶体52内设置有导液管54以及导气管55，导液管54的第一端设置在瓶口53的外部并设置有倾斜的端口541，导液管54的第二端穿过瓶塞57并延伸至瓶体52的内部，导气管55的第一端设置在瓶口53的外部并设置有导气漏斗551，导气管55的第二端穿过瓶塞57并延伸至瓶体52的底部。导液管54以及导气管55通过密封圈56固定在瓶塞57上。

如图4所示，双环4包括第一圆环41以及第二圆环42，第一圆环41以及第二圆环42通过角铁43连接，第一圆环41以及第二圆环42插设在土壤一定深度内，第一圆环41与第二圆环42之间设置有带刻度标尺44，用于测量双环内的液面。

本发明的工作原理如下所述：

在使用时，将双环4固定在土壤一定深度内，并在双环4的第一圆环41中注入高度为10cm的溶液，使液面40与马氏瓶5的导液管54底部的斜面的上部处于同一水平面上，将两条支架1分别安装在双环4的两侧，在马氏瓶5中灌入一定量的溶液，将瓶塞57塞入马氏瓶5的瓶口53，并将马氏瓶5倒放，通过网罩51将马氏瓶5悬挂在计重单元6的底部，计重单元6通过S形挂钩211悬挂在支撑杆2上的可移动的环形件21上。

当双环4中预先注入的溶液渗入土壤中后，双环4内的液体平面40会略低于导液管54的底部，导气管55将空气导入马氏瓶5的底部，马氏瓶5中的液体从导液管54流入双环4内。由于土壤的入渗量小于导液管54导出的溶液量，所以双环4中的液体平面40会再次与导液管54的底部齐平，导气管55被液面40封住，导液管54不再流出液体，当双环4中的溶液继续入渗后，以上过程再重复发生，直至入渗试验结束或者马氏瓶内的溶液耗尽，马氏瓶中的溶液耗尽后，可以再次充满溶液或者替换另外一个已经充满溶液的马氏瓶。

导气管55顶端的漏斗551可以大大的提高空气的吸入量和吸入速度，从而提高马氏瓶5内液体流出的速度，可以保证双环4内的液面40保持在10cm左右，保证入渗量的准确性和连续性。虽然漏斗551也会吸起一定量的液体，但是由于漏斗551的面积较大，在负压作用下吸起液体的重量也较大，升起一定高度后就会在重力的作用很快下落，从而使空气迅速进入马氏瓶5的底部，使瓶中的液体沿导液管54快速流入双环4内。

计重单元6可以自动精确的监测并记录马氏瓶内溶液的变化量，通过GPRS网络传输到远程控制器7，数据存储单元72用于存储计重单元6得到的溶液重量数据，入渗系数计算单元73根据溶液重量数据及预设的参数计算土壤的土壤垂向渗透系数，人机操作界面74用于进行操作及设置。计重单元6可以自动精确的监测并记录马氏瓶内溶液重量的变化量，同时还可以通过GPRS网络传输到远程控制器7，为土壤垂向渗透系数的计算提供数据，无线发射仪可以实现无人值守，连续监测。在实验时，根据需要，可以手动或自动设置计重单元自动记录溶液量并进行传输的间隔时间，使无线传输装置在一定时间下自动记录溶液量并传输至远程控制器7。

入渗实验开始时，由于岩土体处于不饱和状态，所以入渗量比较大，随着岩土体的饱和度的增大，当溶液渗入量趋于平缓时，岩土体的垂向渗透量处于一个稳定的水平，判断此时岩土体处于饱和状态。

当入渗实验进行到溶液渗入量趋于稳定，即岩土体处于饱和状态时，计重单元将液体量数据传输至远程控制器，结合测得的各项参数，入渗系数计算单元按照下式计算土壤垂向渗透系数：

$K=\frac{\mathrm{QL}}{F(H_k^{\′}+Z+L)}$

式中：K为岩土体的垂向渗透系数，单位m/s；Q为溶液的稳定渗入量，单位m³/s；F为第一圆环的面积，单位m²；Z为第一圆环的液体层厚度，单位m；H'_k为毛细压力，单位m；L为试验结束时溶液的渗入深度，单位m。

根据计算得到的土壤垂向渗透系数K可以为土壤的防渗处理提供重要参考。针对不同的实验场地，马氏瓶5和双环4内的溶液可以用水或者与试验场地密切相关的试验溶液，例如在垃圾处理场进行入渗实验时，就可以利用垃圾渗滤液作为实验溶液；在化工厂区进行入渗试验时，可以利用工厂可能泄露的特殊化学溶液作为试验溶液；在农业区，可以将混有一定浓度的农药或者化肥的溶液作为试验溶液；在公路路基部位做试验时，可以将混有融雪剂的溶液作为试验溶液、在机场建设前做试验时，可以将混有航空燃油的溶液作为试验溶液。这样，不但可以测得土体的垂向入渗系数，还可以观测到不同溶液在土体中的运移速率和扩展范围。因为不同浓度溶液的物理性质也不同，在土体中的弥散程度也不同，所以试验中也可以采用不同的溶液浓度来代表现实中可能发生泄露的溶液，所得的试验结果将更有现实意义。另一方面，利用得到的土壤垂向渗透系数K可以对实验场地可能发生的污染物泄露事件的影响范围和污染物的扩散速度进行评估，为污染事件的控制、修复和治理提供重要依据。

如图6所示，以水作为试验溶液为例进行土壤入渗实验，设定计重单元6每10s对水量进行自动记录，并将测得的水量数据上传至远程控制器，双环4的第一圆环直径为0.25m，第一圆环的面积为0.0490625m²，第一圆环内的水层的厚度为0.1m，当入渗实验开始时，由于土壤处于不饱和状态，所以土壤的入渗能力强，单位时间内水的入渗量较大，随着入渗实验的进行，土壤的饱和度逐渐增加，单位时间内的水的入渗量逐渐减小，当入渗实验进行到60分钟时，土壤单位时间的入渗量已经达到了5.02E-08m³/s，一直持续到第90分钟，此时单位时间内，水的入渗量趋于同一数值，即土壤入渗量达到了入渗实验的稳定状态，所以取5.02E-08m³/s为稳定渗水量Q。

入渗试验结束后，通过测量装置，确定土壤的入渗深度。

毛细压力通过室内试验得到或通过远程控制器调取预先存储的实测毛细高度经验数值表获得。本例中土壤的主要成分为粉砂土和粘土，所以采用“实测毛细上升高度明细表”中的值，这里取1。

远程控制器将上述参数代入下式，即可得到垂向渗透系数K为2.52E-07m/s，换算成0.0218m/d。

$K=\frac{\mathrm{QL}}{F(H_k^{\′}+Z+L)}$

式中：K为岩土体的垂向渗透系数，单位m/s；Q为溶液的稳定渗入量，单位m³/s；F为第一圆环的面积，单位m²；Z为第一圆环的液体层厚度，单位m；H'_k为毛细压力，单位m；L为试验结束时溶液的渗入深度，单位m。

本发明的优点如下所述：

计重单元6可以自动精确的监测并记录马氏瓶内溶液重量的变化量，同时还可以通过GPRS网络传输到远程控制器7，为土壤垂向渗透系数的计算提供数据基础。无线发射仪可以实现无人值守，连续监测。

导气管55顶端的漏斗551可以大大的提高空气的吸入量和吸入速度，从而提高马氏瓶5内液体流出的速度，可以保证双环4内的液体头保持在10cm的水平，保证入渗量的准确性和连续性。虽然漏斗551也会吸起一定量的液体，但是由于漏斗551的面积较大，在负压作用下吸起液体的重量也较大，升起一定高度后会在重力的作用很快下落，使空气迅速进入马氏瓶5的底部，使瓶中的液体沿导液管54快速流入双环4内。

网罩51上下的金属圈513可以根据瓶子大小自由改装，架上的尼龙绳514也可以根据瓶子的大小自由调整。尼龙绳514上的金属环515可以直接挂到计重单元6的挂钩上，装卸都比较方便。

支架1可以自由装卸，还可以根据需要调节高度。同时，支架1上的可滑动环形件21可以根据需要自由滑动。该装置的总体优点是结构简单，制作材料费用低廉，计重单元6大幅提高了数据的精确度，无线自动监测又节省了大量的人力。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种野外土壤入渗实验实时监测装置，其包括两根竖直固定的支架、架设在两根支架之间的水平支撑杆、双环以及马氏瓶，其特征在于：所述支撑杆上设置有若干个能滑动的环形件，所述环形件能滑动地套设在所述支撑杆上，所述环形件上设置有第一悬挂装置，所述第一悬挂装置挂设有计重单元，所述马氏瓶通过第二悬挂装置悬挂在计重单元的下方；

所述马氏瓶包括瓶体、瓶口、瓶塞、导液管以及导气管，所述导液管的第一端位于瓶口外部并设置有倾斜的端口，所述导液管的第二端穿过所述瓶塞并延伸至瓶体内部，所述导气管的第一端位于瓶口外部并设置有导气漏斗，所述导气管的第二端穿过所述瓶塞并延伸至瓶体底部；

所述双环包括水平同心套设的第一圆环以及第二圆环，所述第一圆环以及第二圆环在垂直方向上部分插设在土壤内部；

所述计重单元用于将所测得的马氏瓶中的溶液重量变化量传输至远程控制器以获得土壤入渗量。

2.根据权利要求1所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述计重单元包括壳体以及设置在所述壳体内部的无线传输装置，所述壳体的外表面上设置有液晶显示屏，用于显示马氏瓶内溶液重量的变化情况。

3.根据权利要求2所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述计重单元通过无线传输装置在一定间隔时间下自动记录所述马氏瓶的溶液重量并将测得的溶液重量数据传输至用于计算土壤垂向渗透系数的远程控制器。

4.根据权利要求3所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述远程控制器设置有中央控制单元、数据存储单元、入渗系数计算单元以及人机操作界面，所述数据存储单元、入渗系数计算单元以及人机操作界面与所述中央控制单元通讯连接，所述数据存储单元用于存储计重单元得到的溶液重量数据，所述入渗系数计算单元根据溶液重量数据及预设的参数计算土壤的渗透系数，人机操作界面用于进行操作及设置。

5.根据权利要求1所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述第一圆环与所述第二圆环之间的区域垂直设置有带刻度标尺，用于监测双环内液面的高度。

6.根据权利要求3所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述第二悬挂装置为罩设在马氏瓶外部的网罩，所述网罩的端部设置有圆形端口。

7.根据权利要求6所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述圆形端口为金属圈，所述金属圈通过尼龙绳连接有若干个金属环。

8.根据权利要求3所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述无线传输装置为远程无线传输装置。

9.根据权利要求1所述的野外土壤入渗实验实时监测装置，其特征在于：所述两根支架均包括第一支架部部以及第二支架部，所述第一支架部套设在所述第二支架部内并通过固定装置固定在一起使支架高度可调。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的一种野外土壤入渗实验实时监测装置进行岩土体入渗实验的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、将野外土壤入渗实验实时监测装置的双环插入岩土体中，在双环中注入液面高度为10cm的溶液；

S2、当入渗实验开始时，由于岩土体处于不饱和状态，所以入渗量比较大，随着岩土体的饱和度的增大，当溶液入渗量趋于平缓时，岩土体的垂向渗透量处于一个稳定的水平，此时岩土体处于饱和状态；

S3、当入渗实验进行到溶液渗入量趋于稳定，即岩土体处于饱和状态时，通过计重单元将测得溶液重量变化数据实时传输至远程控制器，入渗系数计算单元根据实时获得的溶液重量变化数据按照下式计算土壤垂向渗透系数：

$K=\frac{\mathrm{QL}}{F(H_k^{\′}+Z+L)}$

式中：K为岩土体的垂向渗透系数，单位m/s；Q为溶液的稳定渗入量，单位m³/s；F为第一圆环的面积，单位m²；Z为第一圆环的液体层厚度，单位m；H'_k为毛细压力，单位m；L为试验结束时溶液的渗入深度，单位m。