CN105044309B - 一种模块化拼接式渗漏模拟装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化拼接式渗漏模拟装置，可用于环境保护研究领域开展室内模拟淋溶实验，适用于多种淋溶模拟过程。本装置包括蠕动泵、导流管、引水毛球、抽气泵、水稻种植模块、储液模块、垂直渗漏模块、侧渗模块、田面水测取模块、模拟降雨装置。田面水测取模块包括V型管、径流收集管等。蠕动泵可控制多条软管，从储液模块中以一定流速吸取淋溶液，通过引水毛球实现均匀布水。各个模块可自由拆卸拼接，可模拟各类降雨，能测得不同深度土层的垂直渗漏水样、不同深度的土壤水平侧渗液、土壤水分高度、水稻根际溶液，并能收集径流，同时亦可采集不同土壤层的样品，并且具有运行成本低等优点。

Description

一种模块化拼接式渗漏模拟装置及其方法

技术领域

本发明属于环境监测领域，尤其涉及一种模块化拼接式渗漏模拟装置及其方法。

背景技术

农业面源污染具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性、潜伏性、研究和控制难度大等特点。而土壤的淋失特点直接关系到地表径流氮磷流失量，对农业面源污染而引起的水体富营养化研究至关重要。因此，一套全面、简单而又操作方便的室内模拟淋溶装置是十分必要的。

目前，已有部分专利涉及土柱模拟装置，但是这些装置均存在一定的缺陷。

例如，名为“土柱淋溶装置”（申请号为201410403212.4，公开号为104215747A）的专利，在淋溶装置外侧设置了多个取样口，内部从上至下分成多层；名为“一种污染物迁移模拟的土柱淋溶装置”（申请号为201420645580.5，公开号为204116337U）的专利，淋溶土柱管侧面设置3~4个取样口，不取样时用胶布塞住。这些装置虽然在一定程度上解决了土柱淋溶模拟问题，但是这些装置并不能很精确的取得各深度土壤的渗漏水，且都非自动化装置，需要人工处理，不适宜夜间需要采样的实验，最后取土样时容易造成土样坍塌。而且，这些装置只适用于少量甚至一根土柱，当土柱对照多时工作量会很大，并不适用。

又如，名为“土壤侧渗测量装置”（申请号为201120451623.2，公开号为202330231U）的专利，在土壤水分收集筒一侧安装与水分收集筒轴线垂直的水平侧渗管来收集侧渗液，此发明仅适用于大田实验。室内模拟淋溶侧渗装置几乎没有。再者，水稻根际水也是土壤实验的一大重点，而至今并没有很实用的方式取得根际水。综上，开发一套自动化程度高、使用范围广的室内模拟淋溶装置势在必行。

发明内容

为了解决背景技术中所面临的问题，本发明的目的是提供一种模块化拼接式渗漏模拟装置及其方法。

一种模块化拼接式渗漏模拟装置，包括水稻种植模块、储液模块、垂直渗漏模块、侧渗模块、田面水测取模块和模拟降雨装置，水稻种植模块位于装置的中心，呈立方体形状，储液模块、垂直渗漏模块、侧渗模块和田面水测取模块均通过卡槽连接固定在水稻种植模块四周，形成呈倒梯柱形组合体，模拟降雨装置设于该组合体正上方；

储液模块中设有蠕动泵和导流管，导流管穿过蠕动泵，两端分别连接储液模块和水稻种植模块，水稻种植模块与垂直渗漏模块、侧渗模块、田面水测取模块相连的侧壁上均设有通水孔；田面水测取模块中设有V型管，V型管一端伸入田面水测取模块内部，且管壁上布孔，V型管另一端伸出田面水测取模块，且贴合固定于外壁上，V型管两端高度均与田面水测取模块顶部平齐；田面水测取模块外侧壁上部连接有径流收集管；

垂直渗漏模块斜侧壁上固定有若干条等间距的垂直隔水板，不同的垂直隔水板顶部平齐且低于垂直渗漏模块顶部高度，垂直隔水板与垂直渗漏模块的斜侧壁形成若干个垂直条状空间，每个垂直条状空间的最低处设有垂直渗漏液采集口；侧渗模块斜侧壁上固定有若干条等间距的水平隔水板，每块水平隔水板上方的侧渗模块斜侧壁最低处设有水平渗漏液采集口。

作为优选，所述的水稻种植模块内设有根际溶液采集网，根际溶液采集网由一条密布孔眼的毛细管呈网状弯折而成，毛细管一端封闭，另一端与密闭的根际溶液采集瓶连接，根际溶液采集瓶与抽气泵相连。

作为优选，所述的导流管在伸入水稻种植模块一端连接有引水毛球，引水毛球由空心球体和多条中空引水丝组成，空心球体与导流管相连，多条中空引水丝布设在空心球体的下半部。

作为优选，所述的径流收集管采用可弯折管，用于根据需要进行定型，改变径流收集管入口高度。

作为进一步优选，所述的径流收集管采用硅胶金属软管。

作为优选，所述的垂直渗漏液采集口和水平渗漏液采集口的横截面上设有滤膜。

作为优选，所述的V型管伸出田面水测取模块的一侧上有刻度，刻度值为该刻度值标注该点位距田面水测取模块顶部的垂直距离。

一种使用权利要求1所述装置的渗漏模拟方法，包括如下步骤：

1）组装模块化拼接式渗漏模拟装置，水稻种植模块位于装置的中心，储液模块、垂直渗漏模块、侧渗模块和田面水测取模块均通过相互配合的卡槽连接固定在水稻种植模块四周，形成呈倒梯柱形组合体；模拟降雨装置设置于水稻种植模块正上方；

2）将试验土壤风干、磨碎、过筛后，均匀的填充在组装好的组装模块化拼接式渗漏模拟装置中，并保持水稻种植模块、垂直渗漏模块、侧渗模块和田面水测取模块中土壤填充高度一致；

3）模拟淋溶实验时，利用蠕动泵抽取储液模块中的储水，通过导流管输送到引水毛球中，再通过引水毛球外接的中空引水丝分散至水稻种植模块表面的不同点位，实现均匀布水；水稻种植模块中的水通过通水孔流入垂直渗漏模块、侧渗模块和田面水测取模块中，保证各模块中的水位高度一致；通过V型管实时测定装置中土壤水分高度；通过垂直渗漏液采集口采集垂直渗漏液，取得不同深度土层的垂直渗漏水样；通过水平渗漏液采集口采集该水平隔水板上方的水平侧渗液，收集不同深度的土壤水平侧渗液；

4）当水稻根系生长进入水稻种植模块内设置的根际溶液采集网后，打开抽气泵进行抽气，使根际溶液采集瓶中形成负压，土壤中的根际溶液通过毛细管上密布的孔眼进入毛细管，被收集于根际溶液采集瓶中；

5）模拟降雨试验时，根据目标试验要求，对径流收集管进行弯折，设定径流收集管的进水口高度，开启模拟降雨装置，通过田面水测取模块中的径流收集管收集溢出的径流。

本发明的有益效果为：

（1）可同时处理多组平行实验，各个模块可自由拆卸拼接，同时可模拟各类降雨对渗漏、稻田径流流失的影响，能测得不同深度土层的垂直渗漏水样、不同深度的土壤水平侧渗液、土壤水分高度、水稻根际溶液，并能收集径流，同时亦可采集不同土壤层的样品；

（2）引水毛球可使进水过程中，水滴不会直接滴落在土壤表面，从而防止破坏土体，减少因滴水而造成的淋溶加剧；

（3）V型管可实时反映装置内土壤中水分高度，从而便于调控；

（4）径流收集管（13）采用可弯折管，用于根据需要进行定型，改变径流收集管（13）入口高度，从而便于研究不同径流排放口高度对径流流失负荷的影响；

（5）密布孔眼的毛细管形成的根际溶液采集网能够使根系真正的进入采集网的水分收集区域，与传统的根际溶液收集管相比，收集的根际溶液更为准确。

附图说明

图1是模块化拼接式渗漏模拟装置的总体结构示意图；

图2是模块化拼接式渗漏模拟装置的装拆俯视图；

图3是模块化拼接式渗漏模拟装置的横向剖面图；

图4是模块化拼接式渗漏模拟装置的纵向剖面图；

图5是本发明的水稻种植模块的取样示意图；

图6是本发明的引水毛球的结构示意图；

图中：水稻种植模块1、储液模块2、垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5、蠕动泵6、导流管7、通水孔8、V型管9、引水毛球10、空心球体11、中空引水丝12、径流收集管13、垂直隔水板14、水平隔水板15、垂直渗漏液采集口16、水平渗漏液采集口17、滤膜18、模拟降雨装置19、根际溶液采集网20、根际溶液采集瓶21、抽气泵22。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，一种模块化拼接式渗漏模拟装置，包括水稻种植模块1、储液模块2、垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5和模拟降雨装置19.如图2所示，水稻种植模块1位于装置的中心，呈立方体形状，储液模块2、垂直渗漏模块3、侧渗模块4和田面水测取模块5均通过相互配合的卡槽连接固定在水稻种植模块1四周，形成呈倒梯柱形组合体即倒金字塔截去顶部四棱锥后的形状。储液模块2、垂直渗漏模块3、侧渗模块4和田面水测取模块5上表面均为梯形，往下梯形的高逐渐缩小。模拟降雨装置19设于该组合体正上方，用于对渗漏模拟装置进行模拟降雨，研究径流流失。

如图3所示，储液模块2用于存储整个装置的用水，储液模块2中设有蠕动泵6和导流管7，导流管7穿过蠕动泵6，两端分别连接储液模块2和水稻种植模块1，可根据需要，将储液模块2中的水匀速注入水稻种植模块1中。水稻种植模块1与垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5相连的侧壁上均设有通水孔8，即水稻种植模块1的三块侧壁上均设有通水孔8，而垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5的相应位置也设有对应的通孔。每块侧壁上可设置多个通水孔8。作为优选，通水孔8在侧壁的上部、中部、下部各设一个，保证水稻种植模块1、垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5中的水位高度一致。

储液模块2、垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5和模拟降雨装置19可根据需要进行选择，安装于水稻种植模块1之上，不需要进行该研究时，可将其拆卸并将相应的通水孔8进行封闭。

田面水测取模块5的作用是在使用过程中，实时测定装置中土壤水分高度。同时还可以收集径流。实现方式为：田面水测取模块5中设有V型管9，V型管9一端伸入田面水测取模块5内部，且管壁上从上到下密布有小孔，V型管9另一端伸出田面水测取模块5，且贴合固定于外壁上。其原理与U型管相同，用于显示内部的土壤水位高度。V型管9两端高度均与田面水测取模块5顶部平齐；田面水测取模块5外侧壁上部连接有径流收集管13，径流收集管13上带有阀门，可根据需要进行开关。

如图4所示，垂直渗漏模块3用于收集不同深度土层的垂直渗漏水样。垂直渗漏模块3斜侧壁上固定有若干条等间距的垂直隔水板14，不同的垂直隔水板14顶部平齐（顶部高度一致）且低于垂直渗漏模块3顶部高度，垂直隔水板14与垂直渗漏模块3的斜侧壁形成若干个垂直条状空间。使用时，将试验土壤填充在垂直条状空间中。每个垂直条状空间的最低处（即靠近垂直隔水板14右侧的垂直渗漏模块3斜侧壁上）设有垂直渗漏液采集口16，用于采集该垂直条状空间中的垂直渗漏液。垂直渗漏装置能够通过模拟，取得不同深度土层的垂直渗漏水样。

侧渗模块4用于收集不同深度的土壤水平侧渗液。侧渗模块4斜侧壁上固定有若干条等间距的水平隔水板15，每块水平隔水板15上方的侧渗模块4斜侧壁最低处设有水平渗漏液采集口17，用于采集该水平隔水板15上方的水平侧渗液。

使用时，垂直渗漏模块3、侧渗模块4、田面水测取模块5均需要填充相同高度的试验土壤。土壤需风干、磨碎、过筛后填入装置中。

作为优选实施方式，所述的水稻种植模块1内设有根际溶液采集网20，根际溶液采集网20由一整条毛细管弯折成型，毛细管上密布有孔眼，即如图5所示。毛细管可采用0.1~1cm直径的高密度聚乙烯（HDPE）塑料管。管上开孔直径为0.01~0.1cm。毛细管一端封闭，另一端与密闭的根际溶液采集瓶21连接，根际溶液采集瓶21与抽气泵22相连。使用时，将根际溶液采集网20置于水稻种植模块1内填充的土壤表面以下5~20cm，使水稻根系能在生长过程中穿过根际溶液采集网20，通过抽气泵22进行抽气，使根际溶液采集瓶21中形成负压，土壤中的根际溶液通过毛细管上密布的孔眼进入毛细管，被收集于根际溶液采集瓶21中。

作为优选实施方式，所述的导流管7在伸入水稻种植模块1一端连接有引水毛球10，引水毛球10由空心球体11和多条中空引水丝12组成，空心球体11与导流管7相连，多条中空引水丝12布设在空心球体11的下半部。中空引水丝12为外径0.5mm~3mm的空心管。使用时。中空引水丝12接触土壤表面。空心球体11中的水可以通过中空引水丝的导流作用均匀分散于土壤表面，防止出现直接滴落时破坏土体、增加溶出物的现象。

作为优选实施方式，所述的径流收集管13采用可弯折管，用于根据需要进行对位于田面水测取模块5内部的径流收集管13进行定型，改变径流收集管13入口高度，以模拟稻田中不同的田埂排水口高度。作为进一步优选实施方式，所述的径流收集管13采用硅胶金属软管。

作为优选实施方式，所述的垂直渗漏液采集口16和水平渗漏液采集口17的横截面上设有滤膜18，用于滤去土壤颗粒。

作为优选实施方式，所述的V型管9伸出田面水测取模块5的一侧上有刻度，刻度值为该刻度值标注该点位距田面水测取模块5顶部的垂直距离。使用过程中，可实时观测装置中的土壤水位，并读取记录。

一种使用权利要求1所述装置的渗漏模拟方法，包括如下步骤：

1）组装模块化拼接式渗漏模拟装置，水稻种植模块1位于装置的中心，储液模块2、垂直渗漏模块3、侧渗模块4和田面水测取模块5均通过相互配合的卡槽连接固定在水稻种植模块1四周，形成呈倒梯柱形组合体；模拟降雨装置19设置于水稻种植模块1正上方；

2）将试验土壤风干、磨碎、过筛后，均匀的填充在组装好的组装模块化拼接式渗漏模拟装置中，并保持水稻种植模块1、垂直渗漏模块3、侧渗模块4和田面水测取模块5中土壤填充高度一致；

3）模拟淋溶实验时，利用蠕动泵6抽取储液模块2中的储水，通过导流管7输送到引水毛球10中，再通过引水毛球外接的中空引水丝12分散至水稻种植模块1表面的不同点位，实现均匀布水；水稻种植模块1中的水通过通水孔8流入垂直渗漏模块3、侧渗模块4和田面水测取模块5中，保证各模块中的水位高度一致；通过V型管9实时测定装置中土壤水分高度；通过垂直渗漏液采集口16采集垂直渗漏液，取得不同深度土层的垂直渗漏水样；通过水平渗漏液采集口17采集该水平隔水板上方的水平侧渗液，收集不同深度的土壤水平侧渗液；

4）当水稻根系生长进入水稻种植模块1内设置的根际溶液采集网20后，打开抽气泵22进行抽气，使根际溶液采集瓶21中形成负压，土壤中的根际溶液通过毛细管上密布的孔眼进入毛细管，被收集于根际溶液采集瓶21中；

5）模拟降雨试验时，根据目标试验要求，对径流收集管13进行弯折，设定径流收集管13的进水口高度，开启模拟降雨装置19，通过田面水测取模块5中的径流收集管13收集溢出的径流。

Claims (8)

1.一种模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：包括水稻种植模块（1）、储液模块（2）、垂直渗漏模块（3）、侧渗模块（4）、田面水测取模块（5）和模拟降雨装置（19），水稻种植模块（1）位于装置的中心，呈立方体形状，储液模块（2）、垂直渗漏模块（3）、侧渗模块（4）和田面水测取模块（5）均通过卡槽连接固定在水稻种植模块（1）四周，形成呈倒梯柱形组合体，模拟降雨装置（19）设于该组合体正上方；

储液模块（2）中设有蠕动泵（6）和导流管（7），导流管（7）穿过蠕动泵（6），两端分别连接储液模块（2）和水稻种植模块（1），水稻种植模块（1）与垂直渗漏模块（3）、侧渗模块（4）、田面水测取模块（5）相连的侧壁上均设有通水孔（8）；田面水测取模块（5）中设有V型管（9），V型管（9）一端伸入田面水测取模块（5）内部，且管壁上布孔，V型管（9）另一端伸出田面水测取模块（5），且贴合固定于外壁上，V型管（9）两端高度均与田面水测取模块（5）顶部平齐；田面水测取模块（5）外侧壁上部连接有径流收集管（13）；

垂直渗漏模块（3）斜侧壁上固定有若干条等间距的垂直隔水板（14），不同的垂直隔水板（14）顶部平齐且低于垂直渗漏模块（3）顶部高度，垂直隔水板（14）与垂直渗漏模块（3）的斜侧壁形成若干个垂直条状空间，每个垂直条状空间的最低处设有垂直渗漏液采集口（16）；侧渗模块（4）斜侧壁上固定有若干条等间距的水平隔水板（15），每块水平隔水板（15）上方的侧渗模块（4）斜侧壁最低处设有水平渗漏液采集口（17）。

2.如权利要求1所述的模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：所述的水稻种植模块（1）内设有根际溶液采集网（20），根际溶液采集网（20）由一条密布孔眼的毛细管呈网状弯折而成，毛细管一端封闭，另一端与密闭的根际溶液采集瓶（21）连接，根际溶液采集瓶（21）与抽气泵（22）相连。

3.如权利要求1所述的模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：所述的导流管（7）在伸入水稻种植模块（1）一端连接有引水毛球（10），引水毛球（10）由空心球体（11）和多条中空引水丝（12）组成，空心球体（11）与导流管（7）相连，多条中空引水丝（12）布设在空心球体（11）的下半部。

4.如权利要求1所述的模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：所述的径流收集管（13）采用可弯折管，用于根据需要进行定型，改变径流收集管（13）入口高度。

5.如权利要求1所述的模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：所述的径流收集管（13）采用硅胶金属软管。

6.如权利要求1所述的模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：所述的垂直渗漏液采集口（16）和水平渗漏液采集口（17）的横截面上设有滤膜（18）。

7.如权利要求1所述的模块化拼接式渗漏模拟装置，其特征在于：所述的V型管（9）伸出田面水测取模块（5）的一侧上有刻度，刻度值为该刻度值标注该点位距田面水测取模块（5）顶部的垂直距离。

8.一种使用权利要求1所述装置的渗漏模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）组装模块化拼接式渗漏模拟装置，水稻种植模块（1）位于装置的中心，储液模块（2）、垂直渗漏模块（3）、侧渗模块（4）和田面水测取模块（5）均通过相互配合的卡槽连接固定在水稻种植模块（1）四周，形成呈倒梯柱形组合体；模拟降雨装置（19）设置于水稻种植模块（1）正上方；

2）将试验土壤风干、磨碎、过筛后，均匀的填充在组装好的组装模块化拼接式渗漏模拟装置中，并保持水稻种植模块（1）、垂直渗漏模块（3）、侧渗模块（4）和田面水测取模块（5）中土壤填充高度一致；

3）模拟淋溶实验时，利用蠕动泵（6）抽取储液模块（2）中的储水，通过导流管（7）输送到引水毛球（10）中，再通过引水毛球外接的中空引水丝（12）分散至水稻种植模块（1）表面的不同点位，实现均匀布水；水稻种植模块（1）中的水通过通水孔（8）流入垂直渗漏模块（3）、侧渗模块（4）和田面水测取模块（5）中，保证各模块中的水位高度一致；通过V型管（9）实时测定装置中土壤水分高度；通过垂直渗漏液采集口（16）采集垂直渗漏液，取得不同深度土层的垂直渗漏水样；通过水平渗漏液采集口（17）采集该水平隔水板上方的水平侧渗液，收集不同深度的土壤水平侧渗液；

4）当水稻根系生长进入水稻种植模块（1）内设置的根际溶液采集网（20）后，打开抽气泵（22）进行抽气，使根际溶液采集瓶（21）中形成负压，土壤中的根际溶液通过毛细管上密布的孔眼进入毛细管，被收集于根际溶液采集瓶（21）中；

5）模拟降雨试验时，根据目标试验要求，对径流收集管（13）进行弯折，设定径流收集管（13）的进水口高度，开启模拟降雨装置（19），通过田面水测取模块（5）中的径流收集管（13）收集溢出的径流。