CN105334076B - 一种农田土壤渗漏水抽取装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农田土壤渗漏水抽取装置及其方法，包括渗漏水采集管、进水管、抽取器和出水管。抽取器包括手柄及由毛毡防尘圈、缸壁盖、缸壁构成的缸壁密封部分，由活塞杆、孔用弹性挡圈、关节轴承、轴用弹性挡圈、活塞、密封圈、导向套构成的活塞铰接密封部分，由底座、O型密封圈、锥形阀芯、管接头、无孔弹簧堵头、有孔弹簧堵头、弹簧、进水口、出水口构成的底座单向流动部分。用进水管连接采集管与抽取器，出水管连接采样瓶与抽取器，通过推拉抽取器手柄带动活塞在缸壁内的上下移动，缸壁内无杆腔与外界形成压力差，使底座部分的两个锥形阀芯开始有序动作，形成单向阀原理抽取农田土壤渗漏水。本发明采集渗漏水操作简单、携带方便、实用性强。

Description

一种农田土壤渗漏水抽取装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种水样抽取装置，尤其是涉及一种农田土壤渗漏水抽取装置及其方法。

背景技术

农业生产上，随着化肥的大量施用及灌溉条件的改善，由施肥带入农田土壤的氮、磷等养分含量愈高，也意味着未被转化利用的肥料养分向水体环境迁移的能力愈强。径流和渗漏(淋溶和侧渗)是土壤氮、磷等养分流失的主要过程和途径，也是诱发水体富营养化的重要原因，是地下水污染的重要根源。土壤渗漏水是土壤科学、环境科学及植物营养研究的主要对象。氮、磷等营养元素在农田的运移分布特征及其对环境水体污染负荷的研究中，土壤渗漏的淋出水量及浓度是主要的测定内容，但农田土壤渗漏水样如何成功获得一直是个技术性的难题。

目前，部分专利已对土壤渗漏水采集装置做了尝试，例如已经授权的名为“土壤渗漏水收集装置”(申请号为200620126272.7，公开号为200996900)的专利，用一个三通联接储液罐和两根采集管，输液管通过三通插入储液管的底部进行土壤渗漏水采集；名为“土壤渗漏溶液提取装置”(申请号为200920222111.1，公开号为201555741U)的专利，通过在密闭的溶液收集瓶的瓶口上插有吸液管和吸气管，将吸液管的一端插在渗滤管中，吸气管的一端与负压吸气装置相连接来实现渗漏水的采集。由于上述装置需要真空泵产生负压吸取收集到的土壤渗漏水，收集过程较为复杂，给野外田间采样带来诸多不便。因此，在水田或者含水量较高的农田中，研发一套便于野外操作的土壤渗漏水抽取装置，尤其是研发轻巧、便于操作和携带的土壤渗漏水抽取设备来采集土壤渗漏水，具有非常广泛的用途。

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农田土壤渗漏水抽取装置及其方法。

本发明的装置技术方案如下：

一种农田土壤渗漏水抽取装置，包括渗漏水采集管、进水管、抽取器、出水管；进水管、出水管分别连接抽取器的进水口和出水口，进水管另一端置于渗漏水采集管中。

作为优选，所述的渗漏水采集管底部封闭，并在距底部一定距离的管段外壁每隔一定间距均匀设置渗水孔，并用塑料沙网包裹渗水孔段管壁。

作为优选，所述的抽取器包括手柄、缸壁密封单元、活塞铰接密封单元、底座单向流动单元；缸壁密封单元内设有活塞铰接密封单元，手柄连接活塞铰接密封单元，用于上下移动活塞铰接密封单元；缸壁密封单元底部设有底座单向流动单元，使渗漏水在手柄上拉时，进入缸壁密封单元，在手柄下压时，排出缸壁密封单元。

作为优选，所述的缸壁密封单元包括毛毡防尘圈、缸壁盖、缸壁；缸壁上端装有钢壁盖，缸壁盖与活塞杆之间留有间隙；在缸壁盖与活塞杆滑动处安装毛毡防尘圈。

作为优选，所述的活塞铰接密封部分包括活塞杆、孔用弹性挡圈、关节轴承、轴用弹性挡圈、活塞、密封圈、导向套；活塞设置于缸壁内，并将其内部腔室分为上部的有杆腔和下部的无杆腔；关节轴承连接活塞杆与活塞，以保证推拉手柄时若不慎对活塞杆产生摇摆或旋转，因关节轴承的铰接作用对活塞不产生任何影响，维持活塞的密封性能；活塞杆与关节轴承的内圈间隙配合后用轴用弹性挡圈卡进活塞杆的卡槽，并一同装入活塞内，再用孔用弹性挡圈卡紧活塞；活塞有上、中、下三个环形槽，其中上下两个环形槽分别安装密封圈，中间的环形槽安装导向套；活塞铰接密封部分装配后安装在缸壁内。

作为优选，所述的底座单向流动部分包括底座、O型密封圈、锥形阀芯、管接头、无孔弹簧堵头、有孔弹簧堵头、弹簧、进水口、出水口；底座的进水口端先固定上大下小的锥形阀芯，弹簧上端安装有孔弹簧堵头，且锥形阀芯与有孔弹簧堵头间留有间隙,其中安装连接锥形阀芯和有孔弹簧堵头的弹簧；出水口端先安装上小下大的锥形阀芯，其下方安装无孔弹簧堵头，安装后锥形阀芯与无孔弹簧堵头间同样留有间隙，其中安装连接锥形阀芯和无孔弹簧堵头的弹簧；连接锥形阀芯和有孔弹簧堵头的弹簧以及连接锥形阀芯和无孔弹簧堵头的弹簧均设有预紧力；缸壁下端与底座单向流动部分之间装配有O型密封圈；管接头连接进水管和出水管。

作为优选，所述的渗漏水采集管内沿内管壁设有水位显示管，水位显示管由外套管、浮块和指示杆组成，外套管底部镂空并伸至渗漏水采集管底部，浮块放置于外套管底部且与管壁间留有间隙，指示杆底部固定于浮块上且顶部伸出外套管，指示杆上标有刻度。

作为优选，所述的进水管上每隔一定间距设置有若干个止回阀，使进入止回阀后的渗漏水无法回流，再下一次抽取过程中进入后续管段。

本发明还提供了一种利用所述装置的农田土壤渗漏水抽取方法，包括如下步骤：

1)将渗漏水采集管根据采样需要埋设在农田的水层以下的耕作层、犁底层或淀积层土壤中，并使渗漏水采集管管口高出地表40～50cm，利用侧渗压力收集土壤渗漏水；同时将进水管伸至渗漏水采集管的底部，在出水管管口连接采样瓶；

2)利用水位显示管探测渗漏水采集管底部积累渗漏水水位高度，当达到预设高度时，向上拉动抽取器的手柄，使活塞杆向上移动，轴用弹性挡圈拉动关节轴承的内圈使关节轴承向上移动，关节轴承利用孔用弹性挡圈带动活塞向上移动，同时利用活塞上下安装的密封圈的密封作用，使缸壁内活塞下方的腔室气压减小；当气压降至一定程度时，进水口端锥形阀芯克服弹簧的预紧力向上运动，水在压力差作用下从锥形阀芯侧面通过有孔弹簧堵头的中间孔进入无杆腔，而出水口端锥形阀芯在弹簧的弹性预紧力作用下关闭出水口通路，渗漏水采集管中的水注入无杆腔；

3)下压抽取器手柄，活塞向下运动，使活塞下端无杆腔压力增大，当空腔内压力大于一定程度时，进水口端的弹簧对锥形阀芯产生向下压力，使锥形阀芯密封进水口通路；而出水口端的锥形阀芯克服弹簧的弹性预紧力向下移动打开出水口通路，水从出水口流出并通过出水管注入采样瓶中；

4)重复多次步骤2)和3)，将渗漏水采集管和进水管中的渗漏水完全排入采样瓶中，完成该批次渗漏水样品收集；

5)每次采样后将渗漏管中的水排空。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的农田土壤渗漏水抽取装置，使土壤中的渗漏水靠侧渗压自动收集在采集管中，用进水管连接渗漏水采集管与抽取器，出水管连接抽取器与采样瓶，通过推拉抽取器手柄使活塞在缸壁内上下移动，缸壁内无杆腔与外界形成压力差，从而使底座部分的两个锥形阀芯在弹簧的预紧力下有序动作，形成单向阀构造来抽取农田土壤渗漏水。同时，本发明还设有自主设计的水位显示管，能够实时显示渗漏水的水位高度，便于了解采样时机。本渗漏水抽取装置结构简单、操作简便、实用性强，能够在电力供应不便的野外进行渗漏液采样工作。

附图说明

图1是一种农田土壤渗漏水抽取装置示意图；

图2是本发明抽取器的整体结构正视图；

图3是本发明抽取器的整体结构侧视图；

图4是本发明抽取器的整体结构立体图；

图5是本发明缸壁部位示意图；

图6是本发明的缸壁盖结构示意图；

图7是本发明的活塞部位示意图；

图8是本发明的底座部位示意图；

图9是本发明的锥形阀芯结构示意图；

图10是本发明的无孔弹簧堵头示意图；

图11是本发明的有孔弹簧堵头示意图；

图12是本发明的水位显示管示意图。

图中：农田1、水层2、耕作层3、犁底层4、淀积层5、塑料沙网6、渗漏水采集管7、进水管8、出水管9、采样瓶10、手柄11、毛毡防尘圈12、缸壁盖13、缸壁14、活塞杆15、孔用弹性挡圈16、关节轴承17、轴用弹性挡圈18、活塞19、密封圈20、导向套21、底座22、O型密封圈23、锥形阀芯24、管接头25、无孔弹簧堵头26、有孔弹簧堵头27、弹簧28、进水口29、出水口30、抽取器31、外套管32、浮块33和指示杆34。

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，一种农田土壤渗漏水抽取装置，包括渗漏水采集管7、进水管8、抽取器31、出水管9；进水管8、出水管9分别连接抽取器的进水口和出水口，进水管8另一端置于渗漏水采集管7中。

渗漏水采集管7为PVC管材，底部封闭，并在距底部一定距离的管段外壁每隔一定间距均匀设置渗水孔。实际使用时，可在距底部15～25cm段每隔2cm均匀打直径5mm的渗水孔。为阻隔淤泥的进入用塑料沙网6包裹渗水孔段管壁。渗漏水采集管7根据采样需要埋设在农田1的水层2以下的耕作层3、犁底层4、淀积层5土壤中，并使渗漏水采集管7管口高出地表40～50cm，且在上部加盖以防雨水、尘土或昆虫进入管内。渗水孔可沿管壁外侧环形开设若干个。由此，在渗漏水采集管7底部有一段可蓄积渗漏水的管段，土壤中的渗漏水通过渗水孔进入采集管中。

抽取器31包括手柄11、缸壁密封单元、活塞铰接密封单元、底座单向流动单元；缸壁密封单元内设有活塞铰接密封单元，手柄11连接活塞铰接密封单元，用于上下移动活塞铰接密封单元；缸壁密封单元底部设有底座单向流动单元，使渗漏水在手柄11上拉时，进入缸壁密封单元，在手柄11下压时，排出缸壁密封单元。上述单元可采用的一种具体结构如图2～4所示。

如图5和6所示，缸壁密封单元包括毛毡防尘圈12、缸壁盖13、缸壁14；缸壁14上端装有钢壁盖13，缸壁盖13与活塞杆15之间留有间隙，以保证活塞杆上下运动时能活动顺畅；在缸壁盖13与活塞杆15滑动处安装毛毡防尘圈12，既保证活塞杆15运动顺畅，也能避免外部灰尘进入杆腔内影响抽取器的使用性能。

如图7所示，活塞铰接密封部分包括活塞杆15、孔用弹性挡圈16、关节轴承17、轴用弹性挡圈18、活塞19、密封圈20、导向套21；活塞19设置于缸壁14内，并将其内部腔室分为上部的有杆腔和下部的无杆腔；关节轴承17连接活塞杆15与活塞19，以保证推拉手柄11时若不慎对活塞杆15产生摇摆或旋转，因关节轴承17的铰接作用对活塞19不产生任何影响，不但提高了活塞19运动性能，还保护了活塞19与缸壁14之间受力不均产生的附加损害，延长活塞19使用寿命，维持活塞的密封性能；活塞杆15与关节轴承17的内圈间隙配合后用轴用弹性挡圈18卡进活塞杆15的卡槽，并一同装入活塞19内，再用孔用弹性挡圈16卡紧活塞19；活塞19有上、中、下三个环形槽，其中上下两个环形槽分别安装密封圈20，中间的环形槽安装导向套21，导向套21既保证活塞19的运动与缸壁14同轴度不倾斜，还保护了上下两个密封圈20，延长密封圈20使用寿命；活塞铰接密封部分装配后安装在缸壁14内。

如图8所示，底座单向流动部分包括底座22、O型密封圈23、锥形阀芯24、管接头25、无孔弹簧堵头26、有孔弹簧堵头27、弹簧28、进水口29、出水口30；底座22的进水口29端先固定上大下小的锥形阀芯24，弹簧28上端安装有孔弹簧堵头27，且锥形阀芯24与有孔弹簧堵头27间留有间隙,其中安装连接锥形阀芯24和有孔弹簧堵头27的弹簧28；出水口30端先安装上小下大的锥形阀芯24，其下方安装无孔弹簧堵头26，安装后锥形阀芯24与无孔弹簧堵头26间同样留有间隙，其中安装连接锥形阀芯24和无孔弹簧堵头26的弹簧28；连接锥形阀芯24和有孔弹簧堵头27的弹簧28以及连接锥形阀芯24和无孔弹簧堵头26的弹簧28均设有预紧力，即处于压缩状态。在抽取器不工作时，锥形阀芯24能够在弹簧作用下堵住进出口。缸壁14下端与底座单向流动部分之间装配有O型密封圈23，将其旋紧在缸壁14下端以保证良好密封；管接头25连接进水管8和出水管9。锥形阀芯24、无孔弹簧堵头26和有孔弹簧堵头27的结构分别如图9、10和11所示。

上述装置使用时埋设在农田1的渗漏水采集管7靠土壤水的侧向压力收集土壤渗漏水，将进水管8一端插入渗漏采集管7水位以下部位，另一端与抽取器进水口29连接，并将出水管9一端插入采样瓶10中，另一端与抽取器出水口30相连接；通过推拉抽取器手柄11使活塞19在缸壁14内上下移动，缸壁14内无杆腔与外界形成压力差，从而使底座部位的两个锥形阀芯24有序动作，形成单向阀的原理抽取农田土壤渗漏水。

实际采样过程中，由于渗漏水采集管埋设于地下，通常无法知道内部渗漏水水位情况。而通常采样过程又需要定量地采集渗漏水，若内部渗漏水水位没有达到预定高度或者超出了预定高度，会造成研究结果不准确。因此，如图12所示，可在渗漏水采集管7内沿内管壁设有水位显示管，水位显示管由外套管32、浮块33和指示杆34组成，外套管32底部镂空并伸至渗漏水采集管7底部，浮块33放置于外套管32底部且与管壁间留有间隙，指示杆34底部固定于浮块33上且顶部伸出外套管32，指示杆34上标有刻度。

由于渗漏水采集管7所能容纳的水量有限，因此对于部分干旱年份，所能采集到的渗漏液较少。但由于进水管8仍然具有一定的容纳空间，因此，在抽取器抽取过程中，可能大部分的渗漏液无法进入无杆腔，而停留在进水管8中，然后又在重力作用下回流至采集管中。因此，对于渗漏液较少的采样情况，无法有效的收集所有渗漏液。因此，本发明可在进水管8上每隔一定间距设置一个止回阀，利用止回阀将进水管分成若干个管段，使进入止回阀后的渗漏水无法回流。在一次抽取时，渗漏水进入某个止回阀后的管段，在下一次抽取过程中，逐级进入后续管段，最终进入无杆腔，使本装置在渗漏液较少的情况下依然保持高效工作。

基于上述装置，本发明提供了一种利用该装置的农田土壤渗漏水抽取方法，包括如下步骤：

1)将渗漏水采集管7根据采样需要埋设在农田1的水层2以下的耕作层3、犁底层4或淀积层5土壤中，并使渗漏水采集管7管口高出地表40～50cm，利用侧深压力收集土壤渗漏水。渗水孔所需埋设的位置要根据目标土层进行确定。同时将进水管8伸至渗漏水采集管7的底部，在出水管9管口连接采样瓶10；

2)利用水位显示管探测渗漏水采集管7底部积累渗漏水水位高度，当达到预设高度时，向上拉动抽取器31的手柄11，使活塞杆15向上移动，轴用弹性挡圈18拉动关节轴承17的内圈使关节轴承17向上移动，关节轴承17利用孔用弹性挡圈16带动活塞19向上移动，同时利用活塞19上下安装的密封圈20的密封作用，使缸壁14内活塞19下方的腔室气压减小；当气压降至一定程度时，进水口29端锥形阀芯24克服弹簧28的预紧力向上运动，水在压力差作用下从锥形阀芯24侧面通过有孔弹簧堵头27的中间孔进入无杆腔，而出水口30端锥形阀芯24在弹簧28的弹性预紧力作用下关闭出水口30通路，渗漏水采集管7中的水注入无杆腔；

3)下压抽取器手柄11，活塞19向下运动，使活塞19下端无杆腔压力增大，当空腔内压力大于一定程度时，进水口29端的弹簧28对锥形阀芯24产生向下压力，使锥形阀芯24密封进水口29通路；而出水口30端的锥形阀芯24克服弹簧28的弹性预紧力向下移动打开出水口30通路，水从出水口30流出并通过出水管9注入采样瓶10中；

4)重复多次步骤2)和3)，利用止回阀的逆止作用，将渗漏水采集管7和进水管8中的渗漏水完全排入采样瓶10中，完成该批次渗漏水样品收集；

5)每次采样后将渗漏管中的水排空，并最好用蒸馏水或其他溶液冲洗整套装置的管路。

Claims (5)

1.一种农田土壤渗漏水抽取装置，其特征在于：包括渗漏水采集管（7）、进水管（8）、抽取器（31）、出水管（9）；进水管（8）、出水管（9）分别连接抽取器的进水口和出水口，进水管（8）另一端置于渗漏水采集管（7）中；

所述的抽取器（31）包括手柄（11）、缸壁密封单元、活塞铰接密封单元、底座单向流动单元；缸壁密封单元内设有活塞铰接密封单元，手柄（11）连接活塞铰接密封单元，用于上下移动活塞铰接密封单元；缸壁密封单元底部设有底座单向流动单元，使渗漏水在手柄（11）上拉时，进入缸壁密封单元，在手柄（11）下压时，排出缸壁密封单元；所述的缸壁密封单元包括毛毡防尘圈（12）、缸壁盖（13）、缸壁（14）；缸壁（14）上端装有缸壁盖（13），缸壁盖（13）与活塞杆（15）之间留有间隙；在缸壁盖（13）与活塞杆（15）滑动处安装毛毡防尘圈（12）；所述的活塞铰接密封单元包括活塞杆（15）、孔用弹性挡圈（16）、关节轴承（17）、轴用弹性挡圈（18）、活塞（19）、密封圈（20）、导向套（21）；活塞（19）设置于缸壁（14）内，并将其内部腔室分为上部的有杆腔和下部的无杆腔；关节轴承（17）连接活塞杆（15）与活塞（19），以保证推拉手柄（11）时若不慎对活塞杆（15）产生摇摆或旋转，因关节轴承（17）的铰接作用对活塞（19）不产生任何影响，维持活塞的密封性能；活塞杆（15）与关节轴承（17）的内圈间隙配合后用轴用弹性挡圈（18）卡进活塞杆（15）的卡槽，并一同装入活塞（19）内，再用孔用弹性挡圈（16）卡紧活塞（19）；活塞（19）有上、中、下三个环形槽，其中上下两个环形槽分别安装密封圈（20），中间的环形槽安装导向套（21）；活塞铰接密封单元装配后安装在缸壁（14）内；所述的底座单向流动单元包括底座（22）、O型密封圈（23）、锥形阀芯（24）、管接头（25）、无孔弹簧堵头（26）、有孔弹簧堵头（27）、弹簧（28）、进水口（29）、出水口（30）；底座（22）的进水口（29）端先固定上大下小的锥形阀芯（24）,弹簧（28）上端安装有孔弹簧堵头（27），且锥形阀芯（24）与有孔弹簧堵头（27）间留有间隙, 其中安装连接锥形阀芯（24）和有孔弹簧堵头（27）的弹簧（28）；出水口（30）端先安装上小下大的锥形阀芯（24），其下方安装无孔弹簧堵头（26），安装后锥形阀芯（24）与无孔弹簧堵头（26）间同样留有间隙，其中安装连接锥形阀芯（24）和无孔弹簧堵头（26）的弹簧（28）；连接锥形阀芯（24）和有孔弹簧堵头（27）的弹簧（28）以及连接锥形阀芯（24）和无孔弹簧堵头（26）的弹簧（28）均设有预紧力；缸壁（14）下端与底座单向流动单元之间装配有O型密封圈（23）；管接头（25）连接进水管（8）和出水管（9）。

2.根据权利要求1所述的农田土壤渗漏水抽取装置，其特征在于：所述的渗漏水采集管（7）底部封闭，并在距底部一定距离的管段外壁每隔一定间距均匀设置渗水孔，并用塑料沙网（6）包裹渗水孔段管壁。

3.根据权利要求1所述的农田土壤渗漏水抽取装置，其特征在于：所述的渗漏水采集管（7）内沿内管壁设有水位显示管，水位显示管由外套管（32）、浮块（33）和指示杆（34）组成，外套管（32）底部镂空并伸至渗漏水采集管（7）底部，浮块（33）放置于外套管（32）底部且与管壁间留有间隙，指示杆（34）底部固定于浮块（33）上且顶部伸出外套管（32），指示杆（34）上标有刻度。

4.根据权利要求1所述的农田土壤渗漏水抽取装置，其特征在于：所述的进水管（8）上每隔一定间距设置有若干个止回阀。

5.一种利用权利要求3所述装置的农田土壤渗漏水抽取方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将渗漏水采集管（7）根据采样需要埋设在农田（1）的水层（2）以下的耕作层（3）、犁底层（4）或淀积层（5）土壤中，并使渗漏水采集管（7）管口高出地表40~50 cm，利用侧渗压力收集土壤渗漏水；同时将进水管（8）伸至渗漏水采集管（7）的底部，在出水管（9）管口连接采样瓶（10）；

2）利用水位显示管探测渗漏水采集管（7）底部积累渗漏水水位高度，当达到预设高度时，向上拉动抽取器（31）的手柄（11），使活塞杆（15）向上移动，轴用弹性挡圈（18）拉动关节轴承（17）的内圈使关节轴承（17）向上移动，关节轴承（17）利用孔用弹性挡圈（16）带动活塞（19）向上移动，同时利用活塞（19）上下安装的密封圈（20）的密封作用，使缸壁（14）内活塞（19）下方的腔室气压减小；当气压降至一定程度时，进水口（29）端锥形阀芯（24）克服弹簧（28）的预紧力向上运动，水在压力差作用下从锥形阀芯（24）侧面通过有孔弹簧堵头（27）的中间孔进入无杆腔，而出水口（30）端锥形阀芯（24）在弹簧（28）的弹性预紧力作用下关闭出水口（30）通路，渗漏水采集管（7）中的水注入无杆腔；

3）下压抽取器手柄（11），活塞（19）向下运动，使活塞（19）下端无杆腔压力增大，当空腔内压力大于一定程度时，进水口（29）端的弹簧（28）对锥形阀芯（24）产生向下压力，使锥形阀芯（24）密封进水口（29）通路；而出水口（30）端的锥形阀芯（24）克服弹簧（28）的弹性预紧力向下移动打开出水口（30）通路，水从出水口（30）流出并通过出水管（9）注入采样瓶（10）中；

4）重复多次步骤2）和3），将渗漏水采集管（7）和进水管（8）中的渗漏水完全排入采样瓶（10）中，完成该批次渗漏水样品收集；

5）每次采样后将渗漏管中的水排空。