CN105242025A - 不同埋深下包气带水流运动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于不同埋深下包气带水流运动试验装置，包括测量筒，与测量筒连接的平衡杯以及与平衡杯连接的马氏瓶，在所述测量筒内设置有一称重传感器，在该称重传感器的上端由下至上依次为反滤层和原状土柱，在测量筒的上端与原状土柱等高的位置连接有一径流排水管，在平衡杯的内连接有一渗流排水管，在马氏瓶内设置有用于测量从马氏瓶补入平衡杯内流量的第三液压传感器。该试验装置能同时监测地表径流量、土壤入渗量和蒸发量,结构简单，造价低廉，有效提高了测量精度，使用和维修都很方便。

Description

不同埋深下包气带水流运动试验装置

技术领域

本发明涉及一种测定包气带水流运动的野外试验装置，尤其适合不同地下水埋深条件下的长期自动观测，属水文气象测验领域。

背景技术

包气带是土壤水分剧烈变化的土壤带，其上界直接与大气接触，它既是大气降水的承受面，又是土壤蒸发的蒸发面。当包气带生长着植物时，包气带土壤水分的变化要更复杂。下界面的地下水补给会增加包气带水分增长，内排水会使包气带水分消退。包气带是地下水与大气水、地表水联系的必经通道。因此，包气带的水流运动规律对提高水分利用、流域的水资源管理、流域规划和可持续发展研究至关重要。

包气带水流运动主要利用人工降雨入渗模拟实验和野外观测实验进行研究。现有人工降雨入渗模拟装置分为室内和野外，室内的存在安装和维护难度较大、不便携、造价高昂、难以反映气象因素影响；野外一般需要选择不同坡度的场地做实验，而且人工降雨设备也会存在精度问题，两种人工降雨入渗模拟实验装置均具有一定局限性。长期野外观测实验则更能反映真实的自然情况，但是在实验过程中由于降水的不确定性和环境影响等限制因素，多采用人工测量的方法，造成观测人员工作量大，并且得不到时间上连续的蒸散发观测数据。而且前人的诸多研究都是针对包气带的部分参数进行监测，不能完全模拟野外实际情况。

因此，必须促成一种结构简单实用、制作成本低、操作方便的包气带水流运动试验装置研究。本发明涉及的不同埋深下包气带水流运动试验装置能克服前人研制的试验装置不足，尤其能够进行多种参数的同时监测，包括地面径流量、渗漏量、土壤植被蒸散量和潜水蒸发量，进而可以推算出降水入渗补给系数、潜水蒸发系数和蒸发折算系数，这几个参数对于气候变化和人类活动影响下的水循环及农业生态系统的影响有着重要意义。

发明内容

本发明提出的一种适用于不同埋深下包气带水流运动试验装置，从减少仪器实验误差和人力投入出发，旨在克服现有包气带水流运动试验装置技术的缺陷，可以实现不同地下水埋深下降雨入渗过程中包气带水分动态的自动监测。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于不同埋深下包气带水流运动试验装置，包括测量筒，与测量筒连接的平衡杯以及与平衡杯连接的马氏瓶，其特征在于：在所述测量筒内设置有一称重传感器，在该称重传感器的上端由下至上依次为反滤层和原状土柱，在所述测量筒的上端与所述原状土柱等高的位置连接有一径流排水管，在该径流排水管的下端为一径流集水器，在该径流集水器内设有用于测量从所述径流排水管流出的径流水量的第一液压传感器，在所述平衡杯的内连接有一渗流排水管，在该渗流排水管的下端为一渗流集水器，在该渗流集水器内设置有用于测量从所述渗流水管流出的渗流水量的第二液压传感器，在所述马氏瓶内设置有用于测量从所述马氏瓶补入所述平衡杯内流量的第三液压传感器，在所述第一液压传感器、第二液压传感器和第三液压传感器三的信号控制端连接有一定时控制电路，在所述第一液压传感器、第二液压传感器和第三液压传感器的信号输出端连接一采集经所述定时控制电路输出设定时间间隔数据的数据采集器，所述称重传感器的信号输出端也连接至该数据采集器，在所述数据采集器的信号输出端连接一对所述数据采集器采集的数据进行处理的处理器；在所述数据采集器上还连接有一用于测量降雨量的雨量计以及用于测量水面蒸发量的水面蒸发器，所述处理器根据所述称重传感器不同时刻的质量记录值，以及与同一给定时间段第一液压传感器、第二液压传感器和第三液压传感器获取的流量值，计算出为这个时间段的降雨量、地面径流量、渗漏量、土壤植被蒸散发量和潜水蒸发量，计算得到的渗漏量与降雨量的比值得到降水入渗补给系数；计算潜水蒸发量与水面蒸发量的比值得到潜水蒸发系数；计算土壤和植被蒸散发量与水面蒸发量的比值得到蒸发折算系数。

所述测量筒包括测量内筒和测量外筒，测量内筒在测量外筒内，测量内筒填有所述原状土柱和反滤层，测量内筒底部外侧是称重传感器，称重传感器通过传感器支撑装置连接在测量外筒的底部。

在所述径流排水管端口处包裹过滤网。

本发明的优点是：用液压传感器和称重传感器，使仪器一直连续工作成为可能，可自动监测任意时段的地面径流、土壤蒸发和渗漏量，测量精度高；采用商业途径购买的马氏瓶作为自动补水装置，成本低廉，并集平衡杯与一体，在不需要外界干预的条件下可以使测量内筒内的水位与平衡杯保持一致。有降雨时，进入测量内筒的雨量一部分通过排水管一进入地面径流集水器，一部分下渗到土壤里面的水通过排水管二和平衡杯进入渗漏量集水器，能同时监测地表径流量、土壤入渗量和蒸发量,从而实现不同地下水埋深条件下的包气带水流运动研究。该试验装置为野外作业提供方便，结构简单，造价低廉，有效提高了测量精度，同时使用和维修都很方便，普通工作人员都可完成。

附图说明

图1是本发明所述的不同埋深下包气带水流运动试验装置的结构示意图。

图2是本发明所述的测量内筒、测量外筒、平衡杯、马氏瓶与供水管一及排水管二之间的关系示意图。

图1和图2中：1-地面径流集水器，2-液压传感器一，3-排水管一，4-称重传感器，5-锂电蓄电池，6-传感器支撑装置，7-数据采集器，8-测量内筒，9-测量外筒，10-地下水埋深，11-反滤层，12-排水管二，13-阀门一，14-液压传感器二，15-渗漏集水器，16-排水管三，17-阀门二，18-平衡杯，19供水管一，20-进气管，21-排气管，22-阀门三，23-马氏瓶，24-阀门四，25-液压传感器三，26-供水管二。

具体实施方式

如图1所示，不同埋深下包气带水流运动试验装置，其结构包括包气带水流形成装置、自动补水装置、径流集水装置、渗漏量集水装置。其中测量内筒8在测量外筒9内，测量内筒8填有原状土柱(如果在原状土柱上种植作物，该实验监测的蒸散发即为土壤和植物的蒸散发)和反滤层11，反滤层11置于原状土柱下部，测量内筒8底部外侧是称重传感器4，称重传感器4通过传感器支撑装置6连接测量外筒9的底部，传感器支撑装置5的左侧是数据采集器7，传感器支撑装置6的右侧是锂电蓄电池5。

测量内筒8、测量外筒9通过排水管二12与平衡杯18连接，排水管二12设有阀门一13，平衡杯18用于保持水面稳定，平衡杯18下方设有渗漏量集水器15，通过排水管三16将包气带渗漏的水排到渗漏量集水器15中，渗漏量集水器15底部设有液压传感器二14。地面径流集水器1位于测量外筒9的左侧，与测量内筒8、测量外筒9相连的排水管一3将地面径流收集到地面径流集水器9中，地面径流集水器1底部设有液压传感器一2。

马氏瓶23位于平衡杯18右侧，通过供水管一19连接，供水管一19设有阀门二17，马氏瓶23顶部设有进气管20和排气管21，排水管21上设有阀门三22。马氏瓶23内部设置液压传感器三25，右侧底部设有供水管二26，供水管二上设有阀门四24。

排水管一3的端口与测量内筒8的外壁排齐，并在端口处包裹过滤网，防止测量内筒的土壤进入排水管一3。

测量内筒8置于称重传感器4上的中心位置，称重传感器4由传感器支撑装置6支撑，数据采集器7、传感器支撑装置6和锂电蓄电池5都固定于测量外筒9的底部，称重传感器4的信号输出端与数据采集器7的信号输入端相接。称重传感器6和数据采集器7由锂电蓄电池5提供电源，称重传感器4的质量变化通过电缆传输给数据采集器7。

传感器支撑装置6采用钢筋混凝土结构，称重传感器4安置在传感器支撑装置6上,以指北针、水准器为准调整的称重传感器4在传感器支撑装置6的中心水平位置上。

液压传感器一2、液压传感器二14和液压传感器三25的输出信号通过信号线与定时控制电路供电，每隔一定时间，数据采集器自动存储数据。

测量内筒8和测量外筒9均为PVC管。

地面径流集水器1、平衡杯18和渗漏量集水器15均为有机玻璃。

平衡杯18用于保持水面稳定，通过排水管二12与测量内筒8、测量外筒9连接。在不需要外界干预的条件下，通过调节平衡杯18的水位来控制测量内筒8的地下水埋深，可以使测量内筒8内的地下水埋深与平衡杯18内的水位保持一致，从而实现不同埋深下的包气带水流运动试验研究。

测量内筒8与平衡杯18之间的排水管二12长度、平衡杯18与马氏瓶23之间的供水管一19长度都应根据两者之间的位置大小来确定。

传感器支撑装置采用钢筋混凝土材料处理。

马氏瓶可以直接通过商业途径购买。

测量时，

1)测量内筒8装满原状土柱，原状土柱底部设有反滤层11，反滤层11最下面设有排水管二12，排水管二12上均匀分布小孔，上面铺设一层滤网，在滤网上覆盖小石砾，小石砾上覆盖细沙。测量内筒8安置于称重传感器4上，使称重传感器4上部活动支座固定在测量内筒8底部；测量内筒8和测量外筒9之间的径向空隙小于5mm，测量内筒8、测量外筒9、称重传感器4和传感器支撑装置6的中心位置在同一垂线上；

2)将测量外筒9嵌入到监测区域的土壤中，并使测量外筒9的顶端高出监测区域平面5mm左右，以防雨水进入影响观测结果；

3)将地面径流集水器1安置在测量外筒9的左侧附近，通过与测量内筒8相连的排水管一3将降雨产生的地面径流收集到地面径流集水器1中，排水管一3的端口与测量内筒8的外壁排齐，并在端口处包裹过滤网，防止测量内筒的土壤进入排水管一3。

4)将平衡杯18安置在测量外筒9的右侧附近，马氏瓶23安置在平衡杯18的右侧附近，马氏瓶23和平衡杯18两者底部保持在同一高度。参见图2，在测量内筒8、测量外筒9、马氏瓶23和平衡杯18的同一水平面各开一个小孔，开孔的高度位于反滤层11底部，使供水管一19和排水管二12的中心线与他们的圆心连线重复；

5)将渗漏量集水器15安置于平衡杯18的下方，通过排水管三16将降雨下渗到包气带的水排到渗漏量集水器15中，渗漏量集水器15底部设有液压传感器二14；

6)将排气管21上的阀门三22和供水管二26上的阀门24打开，关闭阀门一13和阀门二17，通过供水管二26向马氏瓶23内加水至瓶上0刻度处，关闭供水管二26上的阀门24，打开阀门一13和阀门二17，使测量内筒8的地下水埋深、平衡杯18内水面高度和马氏瓶23进气管20下端口高度保持一致，并且平衡杯18的水位高于排水管二12的位置。

7)通过电缆将称重传感器4的质量变化传输给数据采集器7，采用定时器对数据采集器7定时，如采样间隔时间可以设置为1小时；数据采集器7自动存储数据并传输；

8)通过信号线将液压传感器一2、液压传感器二14和液压传感器三25的输出信号与定时控制电路供电，每隔一定时间，如采样间隔时间可以设置为1小时，数据采集器自动存储数据并传输。

9)在包气带水流运动试验装置附件设置一个翻斗式雨量计和E601型水面蒸发器，能自动监测降雨量和水面蒸发量。根据称重传感器4不同时刻的质量记录值，以及与同一给定时间段地面径流集水器1、渗漏量集水器15和马氏瓶向平衡杯补充的水量，即可计算出为这个时间段的降雨量、地面径流量、渗漏量、土壤植被蒸散量和潜水蒸发量。其中潜水蒸发量为马氏瓶的补水量，当土柱含水量较高时，潜水蒸发量为零。基于实验结果，能够计算出水文地质、农田水利研究至关重要的几个参数。通过计算渗漏量与降雨量的比值可以得到降水入渗补给系数；通过计算潜水蒸发量与水面蒸发的比值可以得到潜水蒸发系数；通过计算土壤和植被蒸散发量与水面蒸发的比值可以得到蒸发折算系数。这几个系数对于土壤-植物-大气连续体系统中的农作物耗水机理、作物灌溉制度制定、地下水资源评价以及土壤次生盐碱化等问题均具有极其重要的作用。

Claims (3)

1.一种适用于不同埋深下包气带水流运动试验装置，包括测量筒，与测量筒连接的平衡杯以及与平衡杯连接的马氏瓶，其特征在于：在所述测量筒内设置有一称重传感器，在该称重传感器的上端由下至上依次为反滤层和原状土柱，在所述测量筒的上端与所述原状土柱等高的位置连接有一径流排水管，在该径流排水管的下端为一径流集水器，在该径流集水器内设有用于测量从所述径流排水管流出的径流水量的第一液压传感器，在所述平衡杯的内连接有一渗流排水管，在该渗流排水管的下端为一渗流集水器，在该渗流集水器内设置有用于测量从所述渗流水管流出的渗流水量的第二液压传感器，在所述马氏瓶内设置有用于测量从所述马氏瓶补入所述平衡杯内流量的第三液压传感器，在所述第一液压传感器、第二液压传感器和第三液压传感器三的信号控制端连接有一定时控制电路，在所述第一液压传感器、第二液压传感器和第三液压传感器的信号输出端连接一采集经所述定时控制电路输出设定时间间隔数据的数据采集器，所述称重传感器的信号输出端也连接至该数据采集器，在所述数据采集器的信号输出端连接一对所述数据采集器采集的数据进行处理的处理器；在所述数据采集器上还连接有一用于测量降雨量的雨量计以及用于测量水面蒸发量的水面蒸发器，所述处理器根据所述称重传感器不同时刻的质量记录值，以及与同一给定时间段第一液压传感器、第二液压传感器和第三液压传感器获取的流量值，计算出为这个时间段的降雨量、地面径流量、渗漏量、土壤植被蒸散发量和潜水蒸发量，计算得到的渗漏量与降雨量的比值得到降水入渗补给系数；计算潜水蒸发量与水面蒸发量的比值得到潜水蒸发系数；计算土壤和植被蒸散发量与水面蒸发量的比值得到蒸发折算系数。

2.根据权利要求1所述的适用于不同埋深下包气带水流运动试验装置，其特征在于：所述测量筒包括测量内筒和测量外筒，测量内筒在测量外筒内，测量内筒填有所述原状土柱和反滤层，测量内筒底部外侧是称重传感器，称重传感器通过传感器支撑装置连接在测量外筒的底部。

3.根据权利要求1所述的适用于不同埋深下包气带水流运动试验装置，其特征在于：在所述径流排水管端口处包裹过滤网。