CN105784560A - 基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水土研究技术领域，尤其是涉及一种基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置及测定方法，该测定装置包括模拟降雨装置和集水环；模拟降雨装置包括储水桶和进气管，储水桶为下端开口的中空壳体；储水桶的开口端设置有滴水盘，滴水盘用于将储水桶内的水形成水滴；进气管的下端端口与储水桶连通；进气管的上端端口位于储水桶的上方；集水环为两端开口的中空壳体，且其一端与滴水盘连通，另一端切入土壤中，集水环的侧壁上设置有集流口，集流口与外部流量计连通。本发明提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，解决了传统积水入渗方法测定结果为有压入渗，入渗速率偏大的问题，消除了人工降雨所需费用较高，操作麻烦的弊端。

Description

基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及水土研究技术领域，尤其是涉及一种基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置及测定方法。

背景技术

在进行水土流失研究中，土壤入渗速率测定对于降水资源转化、区域水土资源平衡及坡面侵蚀规律研究都具有十分重要的意义，目前土壤入渗速率测定办法可分为注水法和人工降雨法，注水法采用单环或双环，在环内注水，注水后，因入渗，水面降低，需持续加水，维持固定水深，这种方法在地面上保持一定水深，为有压入渗，测得结果明显高于天然状态下入渗速率；人工降雨法需要一套模拟降雨的专门设备和一个试验场地及相应的测流设备，测定时人工降雨需要大量水源和动力，同时测流设备复杂，操作处于降雨中，不利于操作，同时人工降雨设备较为庞大，操作需要大量人力，不利于野外实验操作。在采用注水法测定入渗时，需清除地表植被，对地表产生一定的扰动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便的、经济的、结果准确的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置及测定方法。

本发明提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，包括模拟降雨装置和集水环；模拟降雨装置包括储水桶和进气管，储水桶为下端开口的中空壳体；储水桶的开口端设置有滴水盘，滴水盘用于将储水桶内的水形成水滴；进气管的下端端口与储水桶连通；进气管的上端端口位于储水桶的上方；集水环为两端开口的中空壳体，且其一端与滴水盘连通，另一端切入土壤中，集水环的侧壁上设置有集流口，集流口与外部流量计连通。

进一步地，进气管包括压力平衡管、气管和密封塞；压力平衡管为上端开口的中空壳体，其上下两端均通过管道与储水桶连通，且两个管道上均设置有阀门；气管的下端插设在压力平衡管内，并通过压力平衡管与储水桶连通，气管的另一端端口位于储水桶的上方；密封塞套设在气管外，并将压力平衡管的上端端口密封。

进一步地，滴水盘包括安装环部和滴水板，滴水板上设置有多个滴水孔；每个滴水孔上均设置有针头；滴水板设置在安装环部内，储水桶的开口端插设在安装环部的一端；集水环的一端与安装环部的另一端连接。

进一步地，储水桶与安装环部之间设置有橡胶垫圈，橡胶垫圈用于填补储水桶和安装环部之间的缝隙，起到密封作用；储水桶上还设置有注水口，注水口上设置有注水阀门。

进一步地，该测定装置还包括高度调节装置；高度调节装置包括升高环部和连接环部，连接环部设置在升高环部的一端，集水环的一端插设在连接环部内，升高环部的另一端插设在安装环部内。

进一步地，集水环、滴水盘与储水桶的截面均为圆形，储水桶的截面直径等于集水环的截面直径；连接环部和升高环部的截面均为圆形，升高环部的截面直径等于集水环的截面直径。

进一步地，模拟降雨装置、高度调节装置的材质均采用有机玻璃。

进一步地，集水环采用6mm厚的钢板焊接而成。

本发明还提供了基于模拟降雨的土壤入渗能力测定方法，包括以下步骤：

将集水环打入土壤中；

向模拟降雨装置的储水桶中注满水后关闭注水口，打开两个阀门，调整气管高度，以使实验模拟雨强为预设雨强；

将模拟降雨装置放置在集水环上；

记录模拟降雨装置中的水位h1，并开始计时；

观测集流口的产流时间t1和任意时刻t对应出流量R；

经过预定实验时间T后，关闭阀门，读取模拟降雨装置中的水位h2，计算出模拟降雨强度i；

根据模拟降雨强度i计算出任一时刻土壤入渗速率f。

进一步地，在将模拟降雨装置放置在集水环上的步骤之前，还包括如下步骤：将模拟降雨装置放置在高度调节装置上，将高度调节装置放置在集水环上。

本发明提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，利用储水桶和滴水盘模拟降雨，利用装置上的进气管获取不同静水压力，在某一静水压力作用下，形成恒定降雨强度，通过集水环限定入渗区域，在集水环上设置集流口并利用流量计记录出流量，进而得出土壤入渗速率。本装置解决了传统积水入渗方法测定结果为有压入渗，入渗速率偏大的问题，消除了人工降雨所需费用较高，操作麻烦的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置的示意图；

图2为图1中A部位的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置中高度调节装置的示意图。

附图标记：

1-模拟降雨装置；11-储水桶；12-进气管；

13-注水口；2-集水环；21-集流口；

3-滴水盘；121-压力平衡管；122-气管；

123-密封塞；31-安装环部；32-滴水板；

33-针头；34-橡胶垫圈；4-高度调节装置；

41-升高环部；42-连接环部。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置的示意图。如图1所示，本实施例提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，包括模拟降雨装置1和集水环2；模拟降雨装置1包括储水桶11和进气管12，储水桶11为下端开口的中空壳体；储水桶11的开口端设置有滴水盘3，滴水盘3用于将储水桶11内的水形成水滴；进气管12的下端端口与储水桶11连通；进气管12的上端端口位于储水桶11的上方；集水环2为两端开口的中空壳体，且其一端与滴水盘3连通，另一端切入土壤中，集水环2的侧壁上设置有集流口21，集流口21与外部流量计连通。

其中，储水桶11的截面形状可以为方形，圆形或者椭圆形，相应的集水环2的截面形状也可以为方形，圆形或者椭圆形。在本实施例中，储水桶11和集水环2的截面形状均为圆形。

模拟降雨装置1和集水环2的材质也可以为多种，在本实施例中集水环2采用6mm钢板焊接而成；模拟降雨装置1采用有机玻璃制成。

集流口21处设置有多孔软管，多孔软管的一端位于集水环2内，另一端接流量计。

水分在入渗的过程中主要受到分子力、毛管力和重力的作用，集水环2垂直打入地面，限定了水分的入渗区域，防止水分侧向渗透，仅考虑在垂直方向上水分的运动。将模拟降雨装置1置于集水环2上，进行模拟降雨，测定集水环2内水分入渗，集水环2有效限定了入渗区域，克服了水分横向运动对入渗速度的影响。当实验地为坡地时，应使集水环2铅直打入土壤中，且集流口21朝向下坡方向，以便汇集坡面径流。

伴随着降雨延续，储水桶11内水量减少，进气管12进气补偿，确保实验过程中水压力恒定，进而实现降雨强度的恒定。

在上述实施例的基础上，进一步地，如图1所示，进气管12包括压力平衡管121、气管122和密封塞123；压力平衡管121为上端开口的中空壳体，其上下两端均通过管道与储水桶11连通，且两个管道上均设置有阀门；气管122的下端插设在压力平衡管121内，并通过压力平衡管121与储水桶11连通，气管122的另一端端口位于储水桶11的上方；密封塞123套设在气管122外，并将压力平衡管121的上端端口密封。

其中，压力平衡管121和气管122均采用有机玻璃制成，密封塞123可以为橡皮塞。

打开两个阀门，通过调节气管122高度，形成不同水压，进而形成不同强度模拟降雨；实验过程中气管122进气补偿，确保实验过程中水压力恒定，在该恒压作用下，滴水盘3会形成额定雨滴，并以恒定雨强形成模拟降雨。

装置中采用独立进气管12，以避免将进气管12设置在储水桶11中而造成由于进气引起的储水桶11内水面的波动。

试验开始时记录储水桶11内初始水位，试验结束时记录储水桶11内水位，试验经过一段时间后，即可由下式得到模拟降雨强度i：

$i=\frac{\mathrm{\Δ}h}{\mathrm{\Δ}t}=\frac{h_1-h_2}{T}$

(式中：h1为实验开始时储水桶11内初始水位，单位为mm；h2为实验结束时储水桶11内水位，单位为mm；T为实验时间，单位为min。)

通过调节气管122高度，该装置可获得0mm/min～3mm/min的降雨强度。

在上述实施例的基础上，进一步地，滴水盘3包括安装环部31和滴水板32，滴水板32上设置有多个滴水孔；每个滴水孔上均设置有针头33；滴水板32设置在安装环部31内，储水桶11的开口端插设在安装环部31的一端；集水环2的一端与安装环部31的另一端连接。

图2为图1中A部位的结构示意图。如图2所示，滴水盘3包括安装环部31和滴水板32，滴水板32设置在安装环部31内，滴水板32上设置有多个滴水孔；每个滴水孔上均设置有针头33。

实验时，集水环2打入土壤，将模拟降雨装置1置于集水环2上，在储水桶11内装入水，利用针头33生成雨滴，以尽可能模拟天然降雨情况，集水环2内地面形成超渗径流，利用流量计测定任一时刻t对应出流量R，根据水量平衡原理，得到累积渗入土壤水量F＝P-R(式中P为模拟降雨量)。

利用差分原理即可获得任一时刻t的土壤入渗速率f值，计算公式为：

(式中：i为模拟降雨强度，mm/min；f为土壤入渗速率，mm/min；R为任一时刻t对应出流量，l；R₂为时刻t的前一刻t₂对应出流量，l；t₁为集流口21产流时间，min。)

在上述实施例的基础上，进一步地，储水桶11与安装环部31之间设置有橡胶垫圈34，橡胶垫圈34用于填补储水桶11和安装环部31之间的缝隙，起到密封作用；储水桶11上还设置有注水口13，注水口13上设置有注水阀门。

参见图1和图2，储水桶11与安装环部31之间设置有橡胶垫圈34，储水桶11上还设置有注水口13。

在上述实施例的基础上，进一步地，该测定装置还包括高度调节装置4；高度调节装置4包括升高环部41和连接环部42，连接环部42设置在升高环部41的一端，集水环2的一端插设在连接环部42内，升高环部41的另一端插设在安装环部31内。

高度调节装置4采用6mm厚有机玻璃制成，装置的截面为圆形，参见图3，高度调节装置4包括升高环部41和连接环部42，连接环部42设置在升高环部41的一端，连接环部42与集水环2紧密连接，升高环部41与滴水盘3的安装环部31紧密连接。

通过在模拟降雨装置1和集水环2之间增设一个高度调节装置4，使得模拟降雨装置1处于一个较高的高度，以便适应有地表植被的土地的测定，避免需要清除地表植被对地表产出一定的扰动。

在上述实施例的基础上，进一步地，集水环2、滴水盘3与储水桶11的截面均为圆形，储水桶11的截面直径等于集水环2的截面直径；连接环部42和升高环部41的截面均为圆形，升高环部41的截面直径等于集水环2的截面直径。

本实施例中，储水桶11的截面直径等于集水环2的截面直径，均为30cm，参见图2，滴水盘3的安装环部31外切于储水桶11桶壁，两者之间设置橡胶垫圈34来密封；滴水盘3的安装环部31还外切于集水环2的外壁。

在需要用到高度调节装置4时，升高环部41插设于安装环部31内，集水环2插设于连接环部42内，参见图3，连接环部42外切于升高环部41。在整个装置安装到位后，集水环2插设于连接环部42内，集水环2的端面与升高环部41的端面抵接。

这样，整个测定装置在安装使用时能够紧密连接且外观平整。

本发明还提供了一种基于模拟降雨的土壤入渗能力测定方法，包括以下步骤：

将集水环2打入土壤中；

向模拟降雨装置1的储水桶11中注满水后关闭注水口13，打开两个阀门，调整气管122高度，以使实验模拟雨强为预设雨强；

将模拟降雨装置1放置在集水环2上；

记录模拟降雨装置1中的水位h1，并开始计时；

观测集流口21的产流时间t1和任意时刻t对应出流量R；

经过预定实验时间T后，关闭阀门，读取模拟降雨装置1中的水位h2，计算出模拟降雨强度i；

根据模拟降雨强度i计算出任一时刻土壤入渗速率f。

其中，经过预定实验时间T后，利用公式计算出模拟降雨强度i，式中h1为实验开始时储水桶11内初始水位，单位为mm；h2为实验结束时储水桶11内水位，单位为mm；T为实验时间，单位为min。

然后利用公式即可得到任一时刻的土壤入渗速率，式中i为模拟降雨强度，mm/min；f为土壤入渗速率，mm/min；R为任一时刻t对应出流量，l；R₂为时刻t的前一刻t₂对应出流量，l；t₁为集流口21产流时间，min。

在上述实施例的基础上，进一步地，在将模拟降雨装置1放置在集水环2上的步骤之前，还包括如下步骤：将模拟降雨装置1放置在高度调节装置4上，将高度调节装置4放置在集水环2上。

实验示例：

针对杨凌农耕地，前期土壤含水量为19.3％，土壤容重为1.32g/cm³，实验模拟降雨强度为80mm/h，测得土壤入渗速率变化。

两次实验条件下，产流时间分别为5.44min和5.53min，产流后，入渗速率随时间递减，均在47min左右趋向于稳定入渗速率，实验地稳定入渗速率为0.52mm/min。

通过以上实施方式，本实施例提供的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置和测定方法，结合了模拟降雨和环刀法测定入渗速率的优点，克服了传统环刀入渗的环刀内水层的压力问题，同时规避了模拟人工降雨的费时费力和大范围的不可控性，极大地提升了土壤入渗速率测定的便捷性和准确性。该装置不单适用于平地入渗研究，同时也可用于0～10°的坡面入渗研究，而且适用于常见裸地、农地和草地等土地利用类型入渗研究，试验时可清除地表植被，也可不破坏地表植被，极大的拓宽了该测定装置的适用范围。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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)

1.一种基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，包括模拟降雨装置和集水环；

所述模拟降雨装置包括储水桶和进气管，所述储水桶为下端开口的中空壳体；所述储水桶的开口端设置有滴水盘，所述滴水盘用于将所述储水桶内的水形成水滴；所述进气管的下端端口与所述储水桶连通；所述进气管的上端端口位于所述储水桶的上方；

所述集水环为两端开口的中空壳体，且其一端与所述滴水盘连通，另一端切入土壤中，所述集水环的侧壁上设置有集流口，所述集流口与外部流量计连通。

2.根据权利要求1所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，所述进气管包括压力平衡管、气管和密封塞；所述压力平衡管为上端开口的中空壳体，其上下两端均通过管道与所述储水桶连通，且两个所述管道上均设置有阀门；所述气管的下端插设在所述压力平衡管内，并通过所述压力平衡管与所述储水桶连通，所述气管的另一端端口位于所述储水桶的上方；所述密封塞套设在所述气管外，并将所述压力平衡管的上端端口密封。

3.根据权利要求1或2所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，所述滴水盘包括安装环部和滴水板，所述滴水板上设置有多个滴水孔；每个所述滴水孔上均设置有针头；

所述滴水板设置在所述安装环部内，所述储水桶的开口端插设在所述安装环部的一端；所述集水环的一端与所述安装环部的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，所述储水桶与所述安装环部之间设置有橡胶垫圈，所述橡胶垫圈用于填补所述储水桶和所述安装环部之间的缝隙，起到密封作用；

所述储水桶上还设置有注水口，所述注水口上设置有注水阀门。

5.根据权利要求3所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，还包括高度调节装置；所述高度调节装置包括升高环部和连接环部，所述连接环部设置在所述升高环部的一端，所述集水环的一端插设在所述连接环部内，所述升高环部的另一端插设在所述安装环部内。

6.根据权利要求5所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，所述集水环、所述滴水盘与所述储水桶的截面均为圆形，所述储水桶的截面直径等于所述集水环的截面直径；所述连接环部和所述升高环部的截面均为圆形，所述升高环部的截面直径等于所述集水环的截面直径。

7.根据权利要求5所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，所述模拟降雨装置、所述高度调节装置的材质均采用有机玻璃。

8.根据权利要求5所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定装置，其特征在于，所述集水环采用6mm厚的钢板焊接而成。

9.一种基于模拟降雨的土壤入渗能力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将集水环打入土壤中；

向模拟降雨装置的储水桶中注满水后关闭注水口，打开两个阀门，调整气管高度，以使实验模拟雨强为预设雨强；

将模拟降雨装置放置在集水环上；

记录模拟降雨装置中的水位h1，并开始计时；

观测集流口的产流时间t1和任意时刻t对应出流量R；

经过预定实验时间T后，关闭阀门，读取模拟降雨装置中的水位h2，计算出模拟降雨强度i；

根据模拟降雨强度i计算出任一时刻土壤入渗速率f。

10.根据权利要求9所述的基于模拟降雨的土壤入渗能力测定方法，其特征在于，在将模拟降雨装置放置在集水环上的步骤之前，还包括如下步骤：将模拟降雨装置放置在高度调节装置上，将高度调节装置放置在集水环上。