CN104568693A - 一种室内土壤入渗速率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室内土壤入渗速率测量装置及方法,能够解决现有技术中土壤入渗速率的测量存在较大误差的问题。所述室内土壤入渗速率测量装置包括：定水头供水装置、环刀、过滤网、水分采集测量装置、铁架台、储水容器和计时器；定水头供水装置的供水口与环刀上部紧密结合；环刀,用于放置土壤样品；过滤网，置于环刀底部，与环刀底面紧密接触，用于防止水分入渗过程中土粒掉落在水分采集装置；水分采集测量装置，置于过滤网下部，用于测量土壤入渗水量；铁架台，置于水分采集测量装置底部，用于固定定水头供水装置、环刀以及过滤网；储水容器，用于接收定水头供水装置排出的水；计时器，用于判定土壤入渗时刻和土壤达到稳渗的时刻。
Description
技术领域
本发明涉及土壤水平衡和水土保持观测技术领域，尤其涉及一种室内土壤入渗速率测量装置及方法。
背景技术
入渗是土壤的基本物理性状，与降雨产流、土壤侵蚀、非点源污染等密切相关。土壤入渗速率作为一个重要的参数对局部地区洪水预报、土壤侵蚀预测预报以及相关水土保持措施的制定起着决定性的作用，因此快速、准确测定土壤入渗速率具有重要的意义。
目前，在室内多采用定水头法来测定土壤的入渗速率。当土壤的入渗速率保持不变时则认为达到了稳渗状态，此时的入渗速率即为土壤的稳渗速率。
现有的室内定水头法往往通过排水法来记录水分透过环刀内土样滴落的水滴量和水滴滴落的时间间隔来计算土壤渗透速率，假如相同时间内滴落的水量相等则证明已经达到稳渗状态。然而由于水分从土壤底面开始渗出到形成水滴再到水滴滴落需要一定的时间，这个时间可以是几秒到几十秒不等。且形成的水滴体积在较短的时间间隔内变化不大，难以准确测量，因此观察是否达到稳渗所用的时间间隔较大，一般为1min到5min。所以用这种方法在判定土壤达到稳渗的时刻、测量入渗时间及入渗量方面存在较大误差，继而使得土壤入渗速率的测量存在较大误差。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种室内土壤入渗速率测量装置及方法，能够解决现有技术中土壤入渗速率的测量存在较大误差的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明提出了一种室内土壤入渗速率测量装置，包括：
定水头供水装置、环刀、过滤网、水分采集测量装置、铁架台、储水容器和计时器；其中，
所述定水头供水装置的供水口与所述环刀上部紧密结合；
所述环刀,用于放置土壤样品；
所述过滤网，置于所述环刀底部，与所述环刀底面紧密接触，用于防止水分入渗过程中土粒掉落在所述水分采集装置；
所述水分采集测量装置，置于所述过滤网下部，用于测量土壤入渗水量；
所述铁架台，置于所述水分采集测量装置底部，用于固定所述定水头供水装置、所述环刀以及所述过滤网；
所述储水容器，用于接收所述定水头供水装置排出的水；
所述计时器，用于判定土壤入渗时刻和土壤达到稳渗的时刻。
本发明实施例提供的室内土壤入渗速率测量装置，在土壤底面刚刚有水渗出还未形成水滴时通过水分采集测量装置将水进行吸附，并可以及时读取水分采集测量装置显示的不同时刻土壤入渗水的总量，可以通过判断水分采集测量装置示数增加速率是否稳定来及时判定土壤是否达到稳定状态，观察示数变化的时间间隔相比现有方法小了很多，也更为精确，可以通过几秒内水分采集测量装置示数增量是否一致来作为土壤达到稳渗状态的判定条件，解决了现有技术在判定土壤达到稳渗的时刻、测量入渗时间及入渗量方面存在较大误差的问题，因而解决了现有技术中土壤入渗速率的测量存在较大误差的问题。
一方面，本发明提出了一种室内土壤入渗速率测量方法，包括：
对所述的室内土壤入渗速率测量装置进行安装；
对所述电子天平进行调零；
利用所述定水头供水装置供水，并使水进入所述环刀放置的土壤样品中；
通过所述计时器进行计时，并当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的土壤入渗水量的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率。
本发明实施例提供的室内土壤入渗速率测量方法，使用室内土壤入渗速率测量装置，在土壤底面刚刚有水渗出还未形成水滴时通过水分采集测量装置将水进行吸附，并可以及时读取水分采集测量装置显示的不同时刻土壤入渗水的总量，可以通过判断水分采集测量装置示数增加速率是否稳定来及时判定土壤是否达到稳定状态，观察示数变化的时间间隔相比现有方法小了很多，也更为精确，可以通过几秒内水分采集测量装置示数增量是否一致来作为土壤达到稳渗状态的判定条件，解决了现有技术在判定土壤达到稳渗的时刻、测量入渗时间及入渗量方面存在较大误差的问题，因而解决了现有技术中土壤入渗速率的测量存在较大误差的问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明室内土壤入渗速率测量装置一实施例的部分结构示意图；
图2为图1中圆形盛水箱与环刀接口一实施例的纵切面示意图；
图3为图1中水分采集测量装置一实施例的部分结构示意图；
图4为本发明室内土壤入渗速率测量方法一实施例的流程示意图；
图5为图4中S4一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
参看图1，本发明的实施例提供一种室内土壤入渗速率测量装置，包括：定水头供水装置、环刀、过滤网、水分采集测量装置、铁架台、储水容器和计时器；其中，
所述定水头供水装置的供水口与所述环刀上部紧密结合；
所述环刀,用于放置土壤样品；
所述过滤网，置于所述环刀底部，与所述环刀底面紧密接触，用于防止水分入渗过程中土粒掉落在所述水分采集装置；
所述水分采集测量装置，置于所述过滤网下部，用于测量土壤入渗水量；
所述铁架台，置于所述水分采集测量装置底部，用于固定所述定水头供水装置、所述环刀以及所述过滤网；
所述储水容器，用于接收所述定水头供水装置排出的水；
所述计时器，用于判定土壤入渗时刻和土壤达到稳渗的时刻。
本实施例中，图1为本发明室内土壤入渗速率测量装置的除计时器外的结构示意图，除计时器外的各个部分分别为：(1)水泵；(2)供水箱；(3)供水管；(4)圆形盛水箱；(5)进水口；(6)排水管；(7)环刀；(8)过滤网；(9)海绵；(10)细铁丝网；(11)广口集水桶；(12)电子天平；(13)底座；(14)纵向支柱；(15)横向铁杆；(16)储水容器；(17)电子显示屏。水泵(1)、供水箱(2)、供水管(3)、圆形盛水箱(4)和排水管(6)组成定水头供水装置，海绵(9)、细铁丝网(10)、广口集水桶(11)和电子天平(12)组成水分采集测量装置，底座(13)、纵向支柱(14)及三根可上下移动的横向铁杆(15)组成铁架台。
本发明实施例提供的室内土壤入渗速率测量装置，在土壤底面刚刚有水渗出还未形成水滴时通过水分采集测量装置将水进行吸附，并可以及时读取水分采集测量装置显示的不同时刻土壤入渗水的总量，可以通过判断水分采集测量装置示数增加速率是否稳定来及时判定土壤是否达到稳定状态，观察示数变化的时间间隔相比现有方法小了很多，也更为精确，可以通过几秒内水分采集测量装置示数增量是否一致来作为土壤达到稳渗状态的判定条件，解决了现有技术在判定土壤达到稳渗的时刻、测量入渗时间及入渗量方面存在较大误差的问题，因而解决了现有技术中土壤入渗速率的测量存在较大误差的问题。
可选地，参看图1和图2，在本发明室内土壤入渗速率测量装置的另一实施例中，所述定水头供水装置，包括：水泵、供水箱、供水管、圆形盛水箱和排水管；其中，
所述水泵安装在所述供水箱内，通过供水管与圆形盛水箱的进水口连接；
所述圆形盛水箱的直径与所述环刀一致，下部与所述环刀的上部紧密结合，在侧壁上预定高度处安装有出水口并连接排水管，在侧壁另一高于出水口的位置设置有塞有海绵的进水口。
本实施例中，圆形盛水箱(4)没有上下底面，进水口(5)处塞有海绵，保证水流平稳流入圆形盛水箱(4)中。所述水泵(1)安装在所述供水箱(2)内，通过供水管(3)与圆形盛水箱(4)的进水口(5)连接，向圆形盛水箱(4)中供水，当水位高过排水管(6)高度时则会自动溢出，从而使水头保持恒定。圆形盛水箱(4)下部与环刀(7)的上部紧密结合，圆形盛水箱(4)与环刀(7)接口的纵切面示意图如图2所示。
可选地，参看图1和图3，在本发明室内土壤入渗速率测量装置的另一实施例中，所述水分采集测量装置，包括：海绵、细铁丝网、广口集水桶和电子天平；其中，
所述海绵剪裁成圆柱形，表面覆盖有所述细铁丝网，与所述广口集水桶桶身直径相同，且大于所述圆形盛水箱的直径；
所述被所述细铁丝网包裹的所述海绵安放在所述广口集水桶的桶口处，上表面与所述过滤网的距离小于预设的距离；
所述广口集水桶安置在所述电子天平的中心位置，用于存储土壤入渗的水；
所述电子天平设置有电子显示屏，用于实时显示土壤入渗水量。
本实施例中，海绵(9)与广口集水桶(11)桶身直径相同，略大于圆形盛水箱(4)及环刀(7)的直径，目的是保证所有入渗的水分均能落在海绵(9)表面上。海绵(9)表面覆盖有细铁丝网(10)，目的在于使海绵(9)保持固定的形状，不至于膨胀并与土壤样品接触，如图3所示。被细铁丝网(10)包裹的海绵(9)安放在广口集水桶(11)的桶口处，当海绵(9)吸水量过多时多余的水量便会滴入广口集水桶(11)中。广口集水桶(11)安置在电子天平(12)上，用于实时记录海绵(9)及广口集水桶(11)中增加的重量，也就是土壤入渗水量。
可选地，在本发明室内土壤入渗速率测量装置的另一实施例中，所述铁架台，包括：底座，纵向支柱及可上下移动的三根横向铁杆；其中，
所述底座上放置所述电子天平；
所述纵向支柱固定在所述底座上；
所述横向铁杆的一端通过调节螺丝的松紧固定住所述圆形盛水箱、所述环刀以及所述过滤网，另一端通过调节螺丝的松紧固定在所述纵向支柱的任意高度处。
可选地，在本发明室内土壤入渗速率测量装置的另一实施例中，所述圆形盛水箱的直径为10cm，所述广口集水桶桶身的直径为12cm。
可选地，在本发明室内土壤入渗速率测量装置的另一实施例中，所述过滤网的孔径为1mm。
参看图4，本发明的实施例提供一种室内土壤入渗速率测量方法，包括：
S1、对前述室内土壤入渗速率测量装置的任一实施例所述的室内土壤入渗速率测量装置进行安装；
S2、对所述电子天平进行调零；
S3、利用所述定水头供水装置供水，并使水进入所述环刀放置的土壤样品中；
S4、通过所述计时器进行计时，并当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的土壤入渗水量的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率。
本发明实施例提供的室内土壤入渗速率测量方法，使用室内土壤入渗速率测量装置，在土壤底面刚刚有水渗出还未形成水滴时通过水分采集测量装置将水进行吸附，并可以及时读取水分采集测量装置显示的不同时刻土壤入渗水的总量，可以通过判断水分采集测量装置示数增加速率是否稳定来及时判定土壤是否达到稳定状态，观察示数变化的时间间隔相比现有方法小了很多，也更为精确，可以通过几秒内水分采集测量装置示数增量是否一致来作为土壤达到稳渗状态的判定条件，解决了现有技术在判定土壤达到稳渗的时刻、测量入渗时间及入渗量方面存在较大误差的问题，因而解决了现有技术中土壤入渗速率的测量存在较大误差的问题。
可选地，参看图1和图5，在本发明室内土壤入渗速率测量方法的另一实施例中，所述利用所述定水头供水装置供水，并使水进入所述环刀放置的土壤样品中，包括：
通过所述水泵将水从所述供水箱中抽出，在依次经过所述供水管、所述进水口处的海绵，进入所述圆形盛水箱内后，进入所述环刀放置的土壤样品中；
其中，所述通过所述计时器进行计时，并当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的土壤入渗水量的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率(S4)，包括：
S40、在所述电子天平的所述电子显示屏上出现示数时开始计时；
S41、当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的电子显示屏示数的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率。
本实施例中，按照图1所示，安装室内土壤入渗速率测量装置：首先将电子天平(12)放置于铁架台的底座(13)上，再将广口集水桶(11)放置于电子天平(12)的中心位置，将包裹有细铁丝网(10)的海绵(9)放在广口集水桶(11)桶口处，自然结合即可；使用横向支架(15)固定过滤网(8)和放置有土壤样品的环刀(7)，并使过滤网(8)与环刀(7)底面紧密接触；在所述环刀(7)上部继续安装圆形盛水箱(4)，并使用横向支架(15)固定。当包裹有细铁丝网的海绵(9)和广口集水桶(11)位于电子天平(12)上时，进行调零，并调整过滤网(8)、环刀(7)及圆形盛水箱(4)的高度，使过滤网(8)与包裹有细铁丝网(10)的海绵(9)上表面距离尽可能小，约为2mm左右，而电子天平(12)示数保持不变。
然后打开水泵(1)开始抽水，通过水泵(1)将水从装满水的供水箱(2)中抽出，供水管(3)中的水在经过进水口处的海绵后，平稳的进入圆形盛水箱(4)内。实验刚开始进行时水速可稍大，使圆形盛水箱(4)内水头迅速达到设定高度。待水头达到设定高度时，实验开始，后适当减小抽水速度，并保持圆形盛水箱(4)内水头维持在预设高度，以减少水源的浪费，超出设定高度的水分通过排水管(6)进入储水容器(16)中。
经过一段时间后，水分开始从环刀(7)内土样底部渗出，渗出的水分被包裹有细铁丝网(10)的海绵(9)吸附，海绵(9)质量增加，电子天平(12)的电子显示屏(17)上出现示数，此时即为入渗时间，记下时刻t0并开始计时。电子显示屏(17)上显示的质量即为海绵(9)吸收的水量也就是土壤入渗的水量。当海绵(9)吸附的水量大于海绵(9)的最大吸水能力时，水分滴入广口集水桶(11)内部继续保存。
观察相同时间间隔△t内电子显示屏(17)示数增量△Q，当连续第一阈值个△t内△Q相等时，可判定土壤达到稳渗状态。土壤的稳渗速率V＝△Q/△t。△t可为2s、5s、10s等等，第一阈值可以为4，本发明对此不作限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种室内土壤入渗速率测量装置，其特征在于，包括：定水头供水装置、环刀、过滤网、水分采集测量装置、铁架台、储水容器和计时器；其中，
所述定水头供水装置的供水口与所述环刀上部紧密结合；
所述环刀,用于放置土壤样品；
所述过滤网，置于所述环刀底部，与所述环刀底面紧密接触，用于防止水分入渗过程中土粒掉落在所述水分采集装置；
所述水分采集测量装置，置于所述过滤网下部，用于测量土壤入渗水量；
所述铁架台，置于所述水分采集测量装置底部，用于固定所述定水头供水装置、所述环刀以及所述过滤网；
所述储水容器，用于接收所述定水头供水装置排出的水；
所述计时器，用于判定土壤入渗时刻和土壤达到稳渗的时刻。
2.根据权利要求1所述的室内土壤入渗速率测量装置，其特征在于，所述定水头供水装置，包括：水泵、供水箱、供水管、圆形盛水箱和排水管；其中，
所述水泵安装在所述供水箱内，通过供水管与圆形盛水箱的进水口连接；
所述圆形盛水箱的直径与所述环刀一致，下部与所述环刀的上部紧密结合，在侧壁上预定高度处安装有出水口并连接排水管，在侧壁另一高于出水口的位置设置有塞有海绵的进水口。
3.根据权利要求2所述的室内土壤入渗速率测量装置，其特征在于,所述水分采集测量装置，包括：海绵、细铁丝网、广口集水桶和电子天平；其中，
所述海绵剪裁成圆柱形，表面覆盖有所述细铁丝网，与所述广口集水桶桶身直径相同，且大于所述圆形盛水箱的直径；
所述被所述细铁丝网包裹的所述海绵安放在所述广口集水桶的桶口处，上表面与所述过滤网的距离小于预设的距离；
所述广口集水桶安置在所述电子天平的中心位置，用于存储土壤入渗的水；
所述电子天平设置有电子显示屏，用于实时显示土壤入渗水量。
4.根据权利要求3所述的室内土壤入渗速率测量装置，其特征在于,所述铁架台，包括：底座，纵向支柱及可上下移动的三根横向铁杆；其中，
所述底座上放置所述电子天平；
所述纵向支柱固定在所述底座上；
所述横向铁杆的一端通过调节螺丝的松紧固定住所述圆形盛水箱、所述环刀以及所述过滤网，另一端通过调节螺丝的松紧固定在所述纵向支柱的任意高度处。
5.根据权利要求4所述的室内土壤入渗速率测量装置，其特征在于,所述圆形盛水箱的直径为10cm，所述广口集水桶桶身的直径为12cm。
6.根据权利要求4所述的室内土壤入渗速率测量装置，其特征在于,所述过滤网的孔径为1mm。
7.一种室内土壤入渗速率测量方法，其特征在于，包括:
对权利要求1至6任一项所述的室内土壤入渗速率测量装置进行安装；
对所述电子天平进行调零；
利用所述定水头供水装置供水，并使水进入所述环刀放置的土壤样品中；
通过所述计时器进行计时，并当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的土壤入渗水量的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率。
8.根据权利要求7所述的室内土壤入渗速率测量方法，其特征在于，所述利用所述定水头供水装置供水，并使水进入所述环刀放置的土壤样品中，包括：
通过所述水泵将水从所述供水箱中抽出，在依次经过所述供水管、所述进水口处的海绵，进入所述圆形盛水箱内后，进入所述环刀放置的土壤样品中；
其中，所述通过所述计时器进行计时，并当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的土壤入渗水量的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率，包括：
在所述电子天平的所述电子显示屏上出现示数时开始计时；
当连续第一阈值个预设时间间隔Δt的电子显示屏示数的增量ΔQ一致时，按照公式v＝ΔQ/Δt计算土壤入渗速率。
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