CN105784740B - 可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，包括多根中子管(3)、防水底座(1)、中子管连接固定机构和中子管防脱节机构，所述中子管连接固定机构位于待测钻孔正上方，其将多根中子管(3)依次连接成一体件，所述一体件逐渐进入所述待测钻孔中直至达到待测钻孔底部；防水底座(1)安装在中子管一体件最下端以避免土壤中的水分与中子管(3)内的空气进行水汽交换；所述中子管防脱节机构一端通过与所述防水底座(1)连接，另一端固定在地面上以确保一体件下降过程中不会出现脱节。本发明解决受标准中子管长度限制，中子水分仪无法对深层土壤水分进行测量的问题。

Description

可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置

技术领域

本发明涉及水文学或土壤生态学实验研究技术领域，尤其是涉及一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置。

背景技术

土壤水对许多水文过程，如产流、坡面侵蚀、滑坡、土壤形成过程、溶质运移、净辐射中潜热和显热通量的比例以及土地利用、水资源及其它自然资源的管理等影响较大。土壤水的时空变异性对流域降雨产流过程、径流响应阈值及不同尺度水文连接性、流域水文模型的模拟精度等有重要的影响。因此，具有一定合理性的时空分辨率的土壤水分数据的监测对水文过程和水文模型的研究有很大帮助。

中子水分仪间接测定土壤含水率的原理为：中子水分仪中的中子源放射出来的快中子与土壤水分中的氢原子相碰后变成慢中子，并为探测器所接收。慢中子越多，表明土壤含水率越高。然后根据标定好的方程，求出土壤含水率。该方法适合监测土壤水分动态变化，能在不破坏土壤结构的前提下进行长期定位连续测定，不受测深和滞后作用影响，因而成为田间原位测定土壤含水率较好的方法。

受标准中子管长度的限制，中子水分仪测定土壤含水率的最大深度为6m，不能对更深层土壤水分进行测定。因此本发明装置提供了可对深层土壤水分进行测定的配套中子管装置。该装置利用自行设计的中子管通过中子水分仪可实现对深层土壤水分的测定，且不受测量深度的影响，为研究大埋深条件下，土壤水分变化对水文过程的响应机理具有重要的理论和实践意义。

发明内容

本发明设计了一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其解决了现有中子水分仪受标准中子管长度限制，使其无法对深层土壤水分进行测量的技术问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：包括多根中子管3、防水底座1、中子管连接固定机构和中子管防脱节机构，所述中子管连接固定机构位于待测钻孔正上方，其将多根中子管3依次连接成一体件，所述一体件逐渐进入所述待测钻孔中直至达到待测钻孔底部；防水底座1安装在中子管一体件最下端以避免土壤中的水分与中子管3内的空气进行水汽交换；所述中子管防脱节机构一端通过与所述防水底座1连接，另一端固定在地面上以确保一体件下降过程中不会出现脱节。

进一步，中子管连接固定机构包括三脚架4和连接筒体，连接筒体由三脚架4支撑，位于所述待测钻孔正上方，连接筒体为通透结构并且由上连接筒体和下连接筒体组成，上连接筒体相对于下连接筒体在垂直方向上、下移动；下连接筒体将一根中子管3端部固定其中，另一根中子管3被固定在上连接筒体中，上连接筒体向下移动将两根中子管3进行固定连接。

进一步，每根中子管3的两个端部分别为公口14和母口15，任意两根中子管3通过公口14和母口15固定连接。

进一步，所述母口15为凹槽结构，所述公口14为凸起结构；所述母口15通过热胀冷缩的方式与所述公口14固定连接。

进一步，连接筒体上还连接有铅锤10确保三脚架的口部与待测钻孔在同一垂线上。

进一步，上连接筒体和下连接筒体通过螺丝51、52径向调节的方式将中子管3进行临时固定。

进一步，还包括圆形木饼8和锤子9，圆形木饼8放置在连接筒体上方的中子管3最上端，锤子9通过击打圆形木饼8的方式驱动中子管3向下移动。

进一步，所述中子管防脱节机构包括铁棍6和钢丝7，钢丝7一端与待测钻孔中防水底座1上孔洞2固定连接，钢丝7另一端固定在地面上的铁棍6上；钢丝7的长度随着中子管3一体件增长而增长。

进一步，中子管3一体件到达待测钻孔底部后，中子水分仪通过变径管13与中子管3一体件最上端连接。

进一步，任意相邻两根中子管3连接处以及防水底座1与中子管连接处都通过密封处理。

该可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置具有以下有益效果：

本发明解决受标准中子管长度限制，中子水分仪无法对深层土壤水分进行测量的问题，使得中子水分仪可用于观测深层土壤水分动态的变化，能在不破坏土壤结构的前提下对土壤水分进行测量，不受滞后作用和测量深度的影响，可长期稳定地对土壤水分动态变化进行测定。

附图说明

图1：本发明可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置的结构示意图；

图2：图1中的防水底座结构示意图；

图3：图1中的三脚架结构示意图；

图4：图1中的中子管与水分仪连接的变径管示意图；

图5：图1中的中子管结构示意图。

附图标记说明：

1—防水底座；2—孔洞；3—中子管；4—三脚架；51—螺丝；52 —螺丝；6—铁棍；7—钢丝；8—圆形木饼；9—锤子；10—铅锤；11 —土壤；12—连接凸台；13—变径管；14—公口；15—母口。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本发明做进一步说明：

一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置主要包括：带有孔洞的防水底座1、3m的中子管3若干，6m的中子管3一根、中子管连接固定机构和中子管防脱节机构。

带有孔洞的防水底座1是由实体铝棒(直径大于新型中子管3的内径)制作而成，该防水底座下部为陀螺状结构，上部为圆柱体结构。该圆柱体的外径(41mm)稍大于新型中子管的内径(40.9mm)，以保证其与中子管对接紧密。取其中一根中子管3，用液化气喷枪加热母口，然后将带有孔洞的防水底座1与母口15相连接，再用硅胶对接口进行密封，避免土壤中的水分与中子管内的空气进行水汽交换，从而引起中子水分仪的测量误差。此外，防水底座1上的孔洞2与防脱节机构的钢丝相连接。

中子管3主要特征在于：该中子管3为硅镁合金材质，其外径为 44.6mm、内径为40.9mm(中子水分仪探头的直径为38mm)、壁厚3.7mm。该材质在中子水分仪测量土壤含水分的过程中几乎不吸收快中子，大大减小了测量误差。此外，新型中子管公口和母口的规格为：公口的内径为40.9mm，外径为42.8mm，母口的内径为42.7mm，外径为44.6mm，使得公口的外径稍微大于母口内径(0.1mm)，保证新型中子管对接紧密。

中子管连接固定机构主要由铁质三脚架和固定新型中子管的两个管壁较厚的连接筒体组成。该连接筒体的内径稍大于中子管的外径6mm，即45.2mm。同时，在两个连接筒体的管壁上，均设置了3个螺丝。在安装中子管的过程中，将带有中子管3的公口一端套入该连接筒体中，然后将螺丝拧紧，可将中子管固定在三脚架上(公口向上)。上部连接筒体主要用于中子管3对接的过程，用液化气喷枪加热母口约1min，将带有母口的中子管3套入该连接筒体(母口向下)，保证上下两根中子管在同一垂线上，以方便对接。对接完成后，用湿毛巾裹住对接处，使其迅速冷却，然后再用硅胶进行密封。

中子管防脱节机构主要包括地面上插入土中的两根铁棍6以及50m 长的钢丝7。为防止中子管3在安装过程中发生脱节，在安装好防水底座1的中子管3放入钻孔前，先将钢丝7穿过防水底座1的孔洞2，然后将两端分别系在两个铁棍6上，这样就解决了新型中子管脱节的问题。

中子水分仪测量土壤水分时，需要将中子水分仪垂直卡在中子管3 上(标准中子管的管壁厚度为2mm)。而中子管3的管壁大于2mm，且内径大于标准中子管的内径。为解决该问题，又设计了一个变径。该变径分为上下两个部分，长度为200mm。其中上部(长度为100mm)的内径和壁厚与标准中子管相同，下部(长度为100mm)的内径大于新型中子管的外径。在测量土壤水分时，采用该变径可将中子水分仪与新型中子管相连接。

一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置的安装步骤如下：

步骤1、首先需在田间钻孔，采用履带式多功能钻机进行钻孔，直到到达试验要求的深度。

步骤2、将两根铁棍6分别固定在钻孔两侧，为制作防脱节机构做准备。

步骤3、固定三脚架4。将可调节上端高度的三脚架4固定在钻孔处，保持三脚架的口部与钻孔在同一垂线上。

步骤4、将带有防水底座1的中子管3穿过三脚架的下端铁管，同时用钢丝7穿过防水底座孔洞2，将中子管3缓缓地插入钻孔中，同时松动钢丝7，让其随着中子管进入钻孔中。

步骤5、用螺丝5将中子管的公口一端固定在三脚架上。同时将钢丝分别固定在两根铁棍6上，防止中子管脱节，掉入钻孔中。

步骤6、用液化气喷枪加热待对接的中子管母口，约1min后，将其与以固定好的中子管公口进行对接。待冷却后，用硅胶再予以密封，防止水汽交换。

步骤7、重复步骤3—6步，直到到达试验要求深度。

步骤8、锯掉最后一根中子管的多余部分，使得露出地表的中子管高于地表10cm，同时用盖子盖严实，从而保证降水和地面积水无法进入中子管中，避免测量误差。

步骤9、利用变径管13将中子水分仪与中子管3相连接，然后进行田间土壤水分测量。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：包括多根中子管（3）、防水底座（1）、中子管连接固定机构和中子管防脱节机构，所述中子管连接固定机构位于待测钻孔正上方，其将多根中子管（3）依次连接成一体件，所述一体件逐渐进入所述待测钻孔中直至达到待测钻孔底部；防水底座（1）安装在中子管一体件最下端以避免土壤中的水分与中子管（3）内的空气进行水汽交换；所述中子管防脱节机构一端通过与所述防水底座（1）连接，另一端固定在地面上以确保一体件下降过程中不会出现脱节；所述中子管防脱节机构包括铁棍（6）和钢丝（7），钢丝（7）一端与待测钻孔中防水底座（1）上孔洞（2）固定连接，钢丝（7）另一端固定在地面上的铁棍（6）上；钢丝（7）的长度随着中子管（3）一体件增长而增长；中子管连接固定机构包括三脚架（4）和连接筒体，连接筒体由三脚架（4）支撑，位于所述待测钻孔正上方，连接筒体为通透结构并且由上连接筒体和下连接筒体组成，上连接筒体相对于下连接筒体在垂直方向上、下移动；下连接筒体将一根中子管（3）端部固定其中，另一根中子管（3）被固定在上连接筒体中，上连接筒体向下移动将两根中子管（3）进行固定连接；每根中子管（3）的两个端部分别为公口（14）和母口（15），任意两根中子管（3）通过公口（14）和母口（15）固定连接。

2.根据权利要求1所述的可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：所述母口（15）为凹槽结构，所述公口（14）为凸起结构；所述母口（15）通过热胀冷缩的方式与所述公口（14）固定连接。

3.根据权利要求2所述的可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：连接筒体上还连接有铅锤（10），确保三脚架的口部与待测钻孔在同一垂线上。

4.根据权利要求3所述的可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：上连接筒体和下连接筒体通过螺丝（51、52）径向调节的方式将中子管（3）进行临时固定。

5.根据权利要求4所述的可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：还包括圆形木饼（8）和锤子（9），圆形木饼（8）放置在连接筒体上方的中子管（3）最上端，锤子（9）通过击打圆形木饼（8）的方式驱动中子管（3）向下移动。

6.根据权利要求1所述的可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：中子管（3）一体件到达待测钻孔底部后，中子水分仪通过变径管（13）与中子管（3）一体件最上端连接。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的可用于中子水分仪测定深层土壤水分的配套中子管装置，其特征在于：任意相邻两根中子管（3）连接处以及防水底座（1）与中子管连接处都通过密封处理。