CN106979921A - 一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，包括保护箱（6），所述保护箱（6）内设置有若干上下向贯通的保护箱管道，所述保护箱管道内设置有土柱（4），所述保护箱（6）的上方设置有降雨器（3），所述降雨器（3）的进水口与第一导水管（2）的出水口相连，所述第一导水管（2）的进水口与第一马氏瓶（1）的出水口相连；所述保护箱（6）的下面设有与所述土柱（4）底端相连的箱体，所述箱体通过第二导水管（12）与第二马氏瓶（13）相连通。本发明可实现简便地对多土柱同时有效降雨，且科学地实现了对非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化的连续监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，属于环境工程技术领域。
背景技术
非饱和带土壤水与大气降水、地下水紧密联系，其研究对于农水问题、环境问题以及水资源开发利用等方面有着重要意义。在研究降雨入渗过程中的非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化规律时，设计室内试验进行模拟是一种有效手段。国内外已有的室内降雨入渗监测试验装置，能够对野外环境进行一定的还原模拟，但仍存在以下缺陷：1.装置整体性较差，当设置多个土柱时，需分别模拟降雨，操作繁琐，且有时间差。2.装置系统性、连续性较差。在长期连续取样监测中，单个土柱由于扰动而难以实现，多个土柱不能保证试验过程一致性，则数据无法对接使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种整体性较强，可同时对多个试验土柱连续监测与取样，能无间断地模拟有效降雨入渗条件下，水盐（污染物）运移在时间上的变化过程，操作集中简便，避免时间差的用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置；进一步地，本发明提供一种各土柱间留有填充空隙，填充与土柱内完全相同土样，实现土柱周围环境一致性，尽量接近野外实际，具有很强的仿真性的用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，包括保护箱，所述保护箱内设置有若干上下向贯通的保护箱管道，所述保护箱管道内设置有土柱，所述保护箱的上方设置有降雨器，所述降雨器的进水口与第一导水管的出水口相连，所述第一导水管的进水口与第一马氏瓶的出水口相连；所述保护箱的下面设有与所述土柱底端相连的箱体，所述箱体通过第二导水管与第二马氏瓶相连通，若干探头装置依次插入所述保护箱、保护箱管道和土柱上的探头口，所述探头装置还与数据自动采集装置相连；若干土柱取样孔依次穿过所述保护箱、保护箱管道和土柱；全部所述探头口和土柱取样孔均呈纵向排列。
所述保护箱内壁和保护箱管道外壁之间为预留填充空间。
所述预留填充空间和土柱中的填料相同。
所述土柱的个数为至少6个并分两排均布。
所述降雨器包括针头式降雨器。
所述土柱底部铺设有反滤层，所述反滤层下方的所述土柱侧壁上开有土柱地下水接口；所述箱体内设置有若干用于容纳所述土柱底端的凹槽，所述凹槽由第一地下水连接开关和第二地下水连接开关拼接而成，所述第二地下水连接开关与所述保护箱底面中部固定连接，所述第一地下水连接开关作为所述箱体的侧面封板并与所述第二地下水连接开关活动式对接；所述第一地下水连接开关上设置有用于穿过所述第二导水管的通孔，所述第二导水管穿过所述通孔后与所述土柱地下水接口相连。
所述活动式对接包括插接，即所述第一地下水连接开关插入所述箱体侧面开口内。
所述反滤层以砾石和粗砂作为滤料。
所述土柱取样孔上设置有活塞。
所述土柱的材质包括亚克力。
本发明主要由供水降雨单元、土柱集成单元、水盐温监测单元和地下水模拟单元组成。
1、供水降雨单元：主要由与第一马氏瓶与针头式降雨器组成。第一马氏瓶与针头式降雨器通过第一导水管相连，通过调节第一马氏瓶水头来控制不同的恒定压力，用以提供不同强度的均匀降雨。
2、土柱集成单元：主要由保护箱和土柱组成。保护箱整体为四棱柱模型，设有土柱预留管道，沙土填充空间，水盐温探头口以及地下水连接开关，其中土柱自身设有水盐温探头口、取样口、地下水连接口以及反滤层。
3、地下水模拟单元：主要由第二马氏瓶与土柱地下水接口通过第二导水管连通，良好的封闭性能够防止蒸发，通过调节第二马氏瓶水头来控制不同的恒定压力，用以提供不同水位的稳定地下水。
4、水盐温监测单元：主要为土壤水分-盐分-温度测量仪，由多功能探头装置与数据自动采集装置组成，完成实时连续监测。
本发明提供的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，用于研究降雨入渗过程中的非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化规律，能够同时进行多组土柱试验，可达到取样分析与连续监测的研究效果。本发明的集成装置的优点在于：
1.同时满足取样分析与连续监测。保护箱的保护层作用与降雨的同时进行保证了一根土柱长期监测，其余土柱隔天取样检测的实现，取样所测数据能够对接使用，等同于一个样品的连续无间断变化，使得有效降雨后的土壤水盐、同位素含量达到长期连续监测的效果。
2.装置整体性强，可同时对多个试验土柱连续监测与取样，能无间断地模拟有效降雨入渗条件下，水盐（污染物）运移在时间上的变化过程，操作集中简便，避免时间差，试验更加科学，且具多功能特性。
3.该装置各土柱间留有填充空隙，填充与土柱内完全相同土样，实现土柱周围环境一致性，尽量接近野外实际，具有很强的仿真性。
4.该装置能够用一根土柱专门进行长期水盐温监测，解决了取样后无法保持原状并继续监测与取样分析的难题。该装置的其余五根土柱除监测水盐温之外，每隔一天取样进行同位素值的测定，同时加测离子浓度与监测数据对照。由于装置系统性较强，每根土柱数据可对接使用达到连续监测效果。（根据试验周期可另设土柱总个数与取样间隔时间）。
5.该装置由四个独立的模拟单元组成，可以分别对不同单元进行拆卸，组装简易，操作方便，可进行多条件、多类型的试验模拟。
综上所述，本发明可实现简便地对多土柱同时有效降雨，且科学地实现了对非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化的连续监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中土柱的结构示意图；
图3为图1的正视剖面图；
图4为图1的侧视剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1
如图1~图4所示，一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，包括保护箱6，所述保护箱6内设置有若干上下向贯通的保护箱管道，所述保护箱管道内设置有土柱4，所述保护箱6的上方设置有降雨器3，所述降雨器3的进水口与第一导水管2的出水口相连，所述第一导水管2的进水口与第一马氏瓶1的出水口相连；所述保护箱6的下面设有与所述土柱4底端相连的箱体，所述箱体通过第二导水管12与第二马氏瓶13相连通，若干探头装置7’依次插入所述保护箱6、保护箱管道和土柱4上的探头口7，所述探头装置7’还与数据自动采集装置14相连；若干土柱取样孔10依次穿过所述保护箱6、保护箱管道和土柱4；全部所述探头口7和土柱取样孔10均呈纵向排列。
所述保护箱6内壁和保护箱管道外壁之间为预留填充空间5。
所述预留填充空间5和土柱4中的填料相同。
所述土柱4的个数为6个并分两排均布。
所述降雨器3包括针头式降雨器。
所述土柱4底部铺设有反滤层11，所述反滤层11下方的所述土柱4侧壁上开有土柱地下水接口9；所述箱体内设置有若干用于容纳所述土柱4底端的凹槽，所述凹槽由第一地下水连接开关8和第二地下水连接开关8’拼接而成，所述第二地下水连接开关8’与所述保护箱6底面中部固定连接，所述第一地下水连接开关8作为所述箱体的侧面封板并与所述第二地下水连接开关8’活动式对接；所述第一地下水连接开关8上设置有用于穿过所述第二导水管12的通孔，所述第二导水管12穿过所述通孔后与所述土柱地下水接口9相连。
所述活动式对接包括插接，即所述第一地下水连接开关8插入所述箱体侧面开口内。
所述反滤层11以砾石和粗砂作为滤料。
所述土柱取样孔10上设置有活塞。
所述土柱4的材质包括亚克力。
利用本实施例的装置模拟单次降雨条件下（根据需要设定降雨量），非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化的连续监测。操作步骤如下：
（1）在土柱4（a-f）的底部铺设反滤层11，反滤层11以砾石和粗砂作为滤料。
（2）封闭土柱取样孔10。准备研究区土壤，配置为相同含水率状态，根据设计含水率及容重来完成土柱4（a-f）的填充。同时以柱中相同状态土壤装填于保护箱6的预留填充空间5。然后将土柱4填放于保护箱管道中。
（3）打开保护箱6两侧的第一地下水连接开关8，将第二马氏瓶13与土柱地下水接口9通过第二导水管12连通，再将第一地下水连接开关8与第二地下水连接开关8’对接安装，得以提供稳定的地下水。
（4）安装土壤水分-盐分-温度测量仪，将多功能探头装置7’分别水平插入保护箱6两侧的探头口7，并与数据自动采集装置14连接。
（5）配置相应浓度盐溶液，存于第一马氏瓶1，将其与降雨器3通过第一导水管2相连，安装于保护箱6上方，以提供压力恒定的供水水头，模拟一次均匀降雨。
（6）通过土壤水分-盐分-温度测量仪实时监测六根土柱4水盐温变化，再打开土柱取样孔10进行取样，测定同位素值和离子含量。其中，a柱于降雨一天后取出，b柱于两天后取出，c柱于三天后取出，d柱于四天后取出，e柱于五天后取出，f柱于六天后取出。
实施例2
利用实施例1的装置模拟两次降雨条件下（每次皆根据需要设定降雨量），非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化的连续监测。操作步骤如下：
（1）在土柱4（a-f）的底部铺设反滤层11，以砾石和粗砂作为滤料。
（2）封闭土柱取样孔10。准备研究区土壤，配置为相同含水率状态，根据设计含水率及容重来完成土柱4（a-f）的填充。同时以柱中相同状态土壤装填于保护箱6的预留填充空间5。然后将土柱填放于保护箱管道中。
（3）打开保护箱6两侧的第一地下水连接开关8，将第二马氏瓶13与土柱地下水接口9通过第二导水管12连通，再将第一地下水连接开关8与第二地下水连接开关8’对接安装，得以提供稳定的地下水。
（4）安装土壤水分-盐分-温度测量仪，将多功能探头装置7’分别水平插入保护箱6两侧的探头口7，并与数据自动采集装置14连接。
（5）配置相应浓度盐溶液，存于第一马氏瓶1，将其与降雨器3通过第一导水管2相连，安装于保护箱6上方，以提供压力恒定的供水水头。
（6）在第一天模拟第一次降雨，通过土壤水分-盐分-温度测量仪实时监测六根土柱水盐温变化，三天后打开土柱取样孔10对土柱a、b、c进行取样，测定同位素值和离子含量。
（7）a、b、c柱取出后，随即进行第二次降雨，通过土壤水分-盐分-温度测量仪实时监测d、e、f这三根土柱水盐温变化，三天后打开土柱取样孔10对土柱d、e、f进行取样，测定同位素值和离子含量。
实施例3
利用实施例1的装置模拟多次降雨条件下（每次皆根据需要设定降雨量），非饱和带水盐（污染物）运移与同位素变化的连续监测。操作步骤如下：
（1）在土柱4（a-f）的底部铺设反滤层11，以砾石和粗砂作为滤料。
（2）封闭土柱取样孔10。准备研究区土壤，配置为相同含水率状态，根据设计含水率及容重来完成土柱4（a-f）的填充。同时以柱中相同状态土壤装填于保护箱6的预留填充空间5。然后将土柱填放于保护箱管道中。
（3）打开保护箱6两侧的第一地下水连接开关8，将第二马氏瓶13与土柱地下水接口9通过第二导水管12连通，再将第一地下水连接开关8与第二地下水连接开关8’对接安装，得以提供稳定的地下水。
（4）安装土壤水分-盐分-温度测量仪，将多功能探头装置7’分别水平插入保护箱6两侧的探头口7，并与数据自动采集装置14连接。
（5）配置相应浓度盐溶液，存于第一马氏瓶1，将其与降雨器3通过第一导水管2相连，安装于保护箱6上方，以提供压力恒定的供水水头。
（6）在第一天模拟一次降雨，通过土壤水分-盐分-温度测量仪实时监测六根土柱水盐温变化，a柱于第一次降雨一天后取出并测定同位素值和离子含量；a柱取出后，随即进行第二次降雨，一天后取出b柱并测定同位素值和离子含量；b柱取出后，随即进行第三次降雨，一天后取出c柱并测定同位素值和离子含量；c柱取出后，随即进行第四次降雨，一天后取出d柱并测定同位素值和离子含量；d柱取出后，随即进行第五次降雨，一天后取出e柱并测定同位素值和离子含量；e柱取出后，随即进行第六次降雨，一天后取出f柱并测定同位素值和离子含量。
此外，还可以通过地下水模拟单元，设置不同的地下水位进行多组试验；也可设置多组不同雨强进行试验；还可设置不同土壤初始含水率进行试验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：包括保护箱（6），所述保护箱（6）内设置有若干上下向贯通的保护箱管道，所述保护箱管道内设置有土柱（4），所述保护箱（6）的上方设置有降雨器（3），所述降雨器（3）的进水口与第一导水管（2）的出水口相连，所述第一导水管（2）的进水口与第一马氏瓶（1）的出水口相连；所述保护箱（6）的下面设有与所述土柱（4）底端相连的箱体，所述箱体通过第二导水管（12）与第二马氏瓶（13）相连通，若干探头装置（7’）依次插入所述保护箱（6）、保护箱管道和土柱（4）上的探头口（7），所述探头装置（7’）还与数据自动采集装置（14）相连；若干土柱取样孔（10）依次穿过所述保护箱（6）、保护箱管道和土柱（4）；全部所述探头口（7）和土柱取样孔（10）均呈纵向排列。
2.根据权利要求1所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述保护箱（6）内壁和保护箱管道外壁之间为预留填充空间（5）。
3.根据权利要求2所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述预留填充空间（5）和土柱（4）中的填料相同。
4.根据权利要求1所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述土柱（4）的个数为至少6个并分两排均布。
5.根据权利要求1所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述降雨器（3）包括针头式降雨器。
6.根据权利要求1所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述土柱（4）底部铺设有反滤层（11），所述反滤层（11）下方的所述土柱（4）侧壁上开有土柱地下水接口（9）；所述箱体内设置有若干用于容纳所述土柱（4）底端的凹槽，所述凹槽由第一地下水连接开关（8）和第二地下水连接开关（8’）拼接而成，所述第二地下水连接开关（8’）与所述保护箱（6）底面中部固定连接，所述第一地下水连接开关（8）作为所述箱体的侧面封板并与所述第二地下水连接开关（8’）活动式对接；所述第一地下水连接开关（8）上设置有用于穿过所述第二导水管（12）的通孔，所述第二导水管（12）穿过所述通孔后与所述土柱地下水接口（9）相连。
7.根据权利要求6所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述活动式对接包括插接，即所述第一地下水连接开关（8）插入所述箱体侧面开口内。
8.根据权利要求6所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述反滤层（11）以砾石和粗砂作为滤料。
9.根据权利要求1所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述土柱取样孔（10）上设置有活塞。
10.根据权利要求1所述的一种用于连续监测的多功能土柱模拟集成装置，其特征在于：所述土柱（4）的材质包括亚克力。
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